1.2 Эмиссия газов от очистных сооружений канализации

В последние годы внимание мирового сообщества сосредоточено на экологических проблемах; среди них одной из наиболее значимых считается глобальное потепление. В связи с этим особую важность приобретают исследования, связанные с анализом причин и следствий этого явления.

Актуальной задачей является исследование эмиссии парниковых газов от очистных сооружений канализации. Результатом такого исследования явится величина углеродного следа как интегральная мера эффективности очистки сточных вод.

Углеродный след (разновидность экологического следа) – это совокупность выбросов парниковых газов, произведенных прямо и косвенно человеком, организацией, регионом, связанных с осуществлением какой-либо деятельности, предоставлением услуги, производством продукции или даже её жизненным циклом в целом. Оценить углеродный след можно, рассчитав выбросы парниковых газов и прежде всего диоксида углерода , метана , закиси азота O и ряда фторсодержащих соединений. Токсичность этих газов различается в десятки раз, собственно как и их массы. Считается, что индекс токсичности углекислоты наименьший, а её выход на канализационных очистных сооружениях (КОС) наибольший.

В потенциале глобального потепления воздействие углекислого газа в обеспечении парникового эффекта равно 1, метана – 25, закиси азота – 296 [1].

Источниками выбросов парниковых газов на КОС являются:

• метана – анаэробные процессы в первичных отстойниках, уплотнение и обезвоживание осадка на иловых площадках, утечки при сбраживании осадка в метантенках, размещение осадка на полигонах;

• закиси азота – процессы нитрификации и денитрификации.

Отметим, что в соответствии с принятыми подходами учета парниковых газов не учитывается выброс углекислого газа, образующегося в процессах очистки сточных вод и сжигания илового осадка. Считается, что тот углерод, который выбрасывается в атмосферу при разложении органических веществ, присутствующих в сточных водах, был когда-то, при создании биомассы из атмосферы изъят. Следует подчеркнуть, что подобное допущение принимается и при отказе от учета выбросов углекислого газа, образующихся при сжигании биотоплива, получаемого из таких возобновляемых источников, как древесина, тростник или водоросли.

Для определения выбросов парниковых газов КОС существует несколько моделей. Наиболее адекватными из них являются модели, использующие рекомендации Рамочной конвенции ООН по изменению климата и предлагаемые методологии определения выбросов ПГ для реализации механизмов устойчивого развития. Все методологии определения выбросов парниковых газов разрабатываются членами Межправительственной группы экспертов по изменению климата (МГЭИК), проходят обсуждения на сайте Рамочной конвенции ООН по изменению климата [ ]. В частности, там рассматриваются выбросы ПГ, сопровождающие процессы очистки сточных вод. Представленные методологии регулярно обновляются и корректируются.

На рисунке 1.2 показана в общем виде наиболее распространенная схема биологической очистки сточных вод, применяемая на российских предприятиях водоотведения. Биореактор с активным илом является либо простым аэротенком, либо, в зависимости от поставленной задачи биологического удаления соединений азота и фосфора, комбинацией анаэробных, аноксидных и аэробных зон.

Рис. 1.2 Эмиссия парниковых газов на сооружениях биологической очистки сточных вод

Первичный отстойник может являться источником выбросов метана в том случае, если осадок долгое время не выгружается и подвергается анаэробному разложению. Биореактор, как правило, источником метана не является, поскольку ил циркулирует между различными зонами и время его пребывания в анаэробной зоне незначительно. Образование метана в биореакторе с активным илом служит признаком перегрузки очистных сооружений и образования застойных зон, где происходит загнивание активного ила. Закись азота в реакторе образуется в процессах нитрификации и денитрификации. Основными источниками образования метана являются процессы обработки и размещения осадка [ ].

Методологии МГЭИК применимы к станциям биологической очистки, предназначенным для очистки хозяйственно-бытовых, промышленных сточных вод или их смесей. Рассматриваются следующие сценарии очистки сточных вод и обработки илового осадка:

1. Биологическая очистка сточных вод включает процессы нитрификации и денитрификации, сопровождающиеся выделением закиси азота.

2. Очистные сооружения работают ненадлежащим образом (несвоевременная выгрузка осадка из первичных отстойников, перегрузка биореактора), что вызывает образование метана.

3. Осадок обезвоживается на иловых площадках с последующим размещением на полигоне, или используется для удобрения и улучшения состава почвы.

4. Осадок перерабатывается в анаэробном реакторе (метантенке) со сжиганием биогаза или использованием биогаза для производства электричества и тепла. Осадок из анаэробного реактора обезвоживается, хранится на полигоне или вносится в почву.

5. Осадок сжигается с получением тепловой или электрической энергии [ ].

В таблице 1.2а приведены основные источники учитываемых выбросов парниковых газов.

В таблице 1.2а приведены основные источники учитываемых выбросов парниковых газов.

Источник	Газ	Включается	Обоснование/Объяснение
Очистка сточной воды и переработка осадка		Да	Главный источник выбросов
	O	Да	Главным образом в процессах нитрификации и денитрификации. В том случае, если иловый осадок вносится в почву для удобрения и улучшения ее структуры, он также может быть важным источником выброса закиси азота
		Нет	Выбросы CO2 от разложения органического вещества не учитываются
Генерация электрической и тепловой энергии		Да	Выбросы связанные с производством электрической и тепловой энергии происходят от: а) покупаемой электрической и тепловой энергии, используемой для очистки сточной воды и обработки осадка; б) электрической и тепловой энергии, производимой из ископаемого топлива на площадке. В том случае, если часть электрической и тепловой энергии производится при сжигании осадка или использовании биогаза, эта часть при определении выбросов ПГ не учитывается
		Нет	Для простоты исключено. Влияние незначительно
	O	Нет	Для простоты исключено. Влияние незначительно
Транспортировка илового осадка		Да	Выбросы от транспортировки осадка включаются
		Нет	Для простоты исключено. Этот источник выбросов предполагается очень малым
	O	Нет	Для простоты исключено. Этот источник выбросов предполагается очень малым
Использование транспорта для других целей		Да	Выбросы от транспортных услуг могут включаться
		Нет	Для простоты исключено. Этот источник выбросов предполагается очень малым.
	O	Нет	Для простоты исключено. Этот источник выбросов предполагается очень малым.
Использование реагентов		Да	Может учитываться
		Нет	Для простоты исключено. Хотя, в ряде случаев, следует анализировать процесс производства реагента.
	O	Нет	Для простоты исключено. Хотя, в ряде случаев, следует анализировать процесс производства реагента.
Сброс сточных вод в водный объект после очистки		Нет	Выбросы от разложения органического вещества не учитываются
		Да	Может учитываться, если степень очистки от органических веществ не соответствует нормативной
	O	Нет	Для простоты исключено. Этот источник выбросов предполагается очень малым

Методики МГЭИК предлагают расчетные схемы для выбросов метана как для анаэробных реакторов, так и для принципиально аэробных зон, но работающих в нерасчетных режимах или под повышенной нагрузкой. В этом случае также может образовываться метан, хотя и в незначительном количестве. Кроме того, при сбросе очищенных сточных вод с остаточным содержанием органических веществ в принимающий водных объект, в случае, если водоем является достаточно глубоким и плохо перемешиваемым, также может происходить образование метана в придонном слое.

Отдельно рассматриваются вопросы образования парниковых газов, связанные с импортируемой электроэнергией, теплом, выбросы от транспортных средств, использующихся, например, при перевозке осадка. Также могут быть рассмотрены выбросы от личного и общественного транспорта, перевозящего работников предприятия и углеродные следы химических реагентов, использующихся при очистке сточных вод.

Экспериментальные исследования эмиссии газов в России проводили на ряде действующих очистных сооружений сточных вод производительностью 1 000– 430 000 м3/сут, в разные периоды года, при разных концентрациях, что позволило установить статистические закономерности, на базе которых разработана программа расчёта эмиссии СО2 в водном комплексе[ ].

Для сравнительного анализа данные по эмиссии диоксида углерода на различных станциях аэрации сведём в табл. 1.2б.

Таблица 1.2б Сводные показатели эмиссии на КОС

Точка отбора проб	Показатели эмиссии , %
	Ростовская станция аэрации, 1-я очередь	Ростовская станция аэрации, 2-я очередь	КОС «Военвед»	Усть-Лабинск
Приемная камера	0,80	1,0	0,25	1,2
Песколовки	0,5	1,0	0,2	-
Преаэратор	0,6	1,0	-	0,50
Первичный отстойник	-	-	-	0,50
Денитрификатор	-	-	0,2	-
Аэротенк регенератор	1,0	1,0 0,6	0,17	-
Стабилизатор	-	-	-	0,25
Вторичный отстойник	0,60	0,4	0,1	-
Биореактор в режиме очистки	0,40	-	-	-
Биореактор в режиме регенерации	0,6	-	-	-
Контактный резервуар	-	-	0,05	-

Для снижения токсичности эмиссионных газов применяются различные методы обезвоживания твёрдой фазы и утилизации газов. Поскольку выделяющиеся газы являются парниковыми, то они полезны для растений. В этом случае рациональным направлением в уменьшении их воздействия на население селитебной территории является подача газовых выделений в парники для выращивания овощных и садовых культур или создание вокруг КОС контура из вечнозелёных растений, имеющих листву с развитой поверхностью для поглощения газов [8] и выделения кислорода.

Наибольший экономический эффект от использования фитореакторов для обезвреживания газовых выбросов получают при размещении растений непосредственно рядом с биореакторами очистки сточных вод в закрытых помещениях [9]. Наиболее активными продуцентами зелёной массы растений и поставки кислорода в воздух из углекислоты являются: овощные культуры, газонная трава и вьющиеся комнатные цветы, рассада для клумб. Их можно выращивать в горшках, лотках, коробах и прочем инвентаре, располагаемом в помещениях на различной высоте с возможностью капельного орошения очищаемой сточной жидкостью и искусственного освещения для управления процессом фотосинтеза.

Совмещение в одном помещении процессов очистки сточных вод и выращивания растений весьма перспективно [10].

На уже действующих очистных станциях вокруг КОС может быть создана зона санитарного разрыва в виде густо посаженных вечнозелёных деревьев для обезвреживания газовых выбросов. Она будет выполнять средозащитные функции и функции переработки парниковых газов.

В микрорайоне Суворовский, г. Ростовна-Дону, на КОС производительностью 12 000 м3/сут, расположенной в закрытом помещении, проводилась экспериментальная оценка снижения содержания эмиссионных газов в атмосфере при высадке в помещении КОС парниковых растений: газонной травы и вьющихся комнатных цветов, рассады для клумб. Общая площадь парниковых элементов – 20 м2 в горшках, лотках, коробах (рис.

Рис.

В ночное время растения освещались электрическим светом. Замеры содержания СО2 в воздухе закрытых помещений (с учётом забора воздуха для воздуходувок вне помещений) показали, что при соотношении площадей помещений и зоны зелёных насаждений 100:1 (хотя поверхность листвы превышала площадь зеркала воды в технологических резервуарах) в атмосфере наблюдались избыток углекислоты (0,05– 0,07%), и наличие патогенной микрофлоры.

Рис.

Рис.

Вариантом полезного использования избытка углекислоты в атмосфере, а соответственно способом очистки газовых выбросов может быть гидропонное выращивание растений на КОС закрытого типа или в тепличном хозяйстве населённых пунктов. Примером гидропонного культивирования растений является изолированное помещение с расположенными в нём устройствами для выращивания с коммуникациями подвода и отвода питательного раствора, культуральной жидкости и резервуаром для её приготовления и подачи в устройство [9].