НОВОСТИ

4 августа, 2020

Публикация научной статьи. Удаление запахов на предприятиях коммунального хозяйства: опыт различных стран.


Опубликована научная статья на тему удаления запахов на промышленных и муниципальных предприятиях мира. В ней рассматриваются критерии применимости наиболее известных методов газоочистки на предприятиях ЖКХ. В исследовании участвует индустриальная серия комплексов ВЕНТЛИТ компании ЛИТ. Приводим полный текст научной статьи с разрешения авторов и журнала «Вода Magazine».

Стрелков Александр Кузьмич, Василяк Леонид Михайлович, Смирнов Александр Дмитриевич.
Удаление запахов на предприятиях коммунального хозяйства: опыт различных стран. //
Журнал «Вода Magazine» [электронный ресурс], 24.07.2020. Точный адрес статьи:
https://watermagazine.ru/nauchnye-stati2/novye-stati/24162-udalenie-zapakhov-na-predpriyatiyakh-kommunal-nogo-khozyajstva-opyt-razlichnykh-stran.html

Развитие городов и рост уровня жизни во всем мире постоянно приводит к возникновению новых проблем. Одной из них является рост числа жалоб населения на неприятные запахи, образующиеся в процессах работы промышленных предприятий, объектов канализации, свалок и т.д. При этом концентрация дурнопахнущих веществ (ДПВ) в воздухе может не превышать установленных норм - предельно допустимых концентраций (ПДК), а запах в воздухе все равно присутствует и доставляет неудобства жителям. Городские власти вынуждены реагировать на подобные жалобы и предпринимать меры по ликвидации источников запаха или хотя бы уменьшению массовых выбросов дурнопахнущих веществ.

Во всем мире рост городов приводит к уплотнению застройки и строительству жилых, социальных и коммерческих объектов даже в непосредственной близости от очистных сооружений канализации. Новые здания иногда размещаются и на территориях, ранее отведенных под санитарно-защитную зону. Например, в пригороде Сиднея (Австралия) в лесу на побережье расположена станция очистки сточных вод Cronulla, а с другой стороны леса, в 500 метрах от границы станции был построен элитный коттеджный поселок с яхт-клубом. После заселения поселка начались жалобы жителей на неприятный запах. В результате руководству канализационной станции пришлось принимать меры по снижению выброса ДПВ - установить дорогостоящие системы газоочистки на основе биофильтров [1] (рис. 1).

Рис. 1. Система газоочистки на ОСК Cronulla, Сидней, Австралия. Орошаемые биофильтры, расход газа - 45 тыс. м³/ч (2007 г.).

В последние годы социальная активность населения резко увеличивается, а современные средства коммуникации, такие как мобильная связь и интернет, позволяют любому человеку практически мгновенно отправить жалобу в муниципалитет или контролирующие организации. Поскольку муниципальные органы власти во многом зависят от избирателей, то они вынуждены реагировать на жалобы и предъявлять правовые и материальные претензии к предприятиям - источникам неприятных запахов. Проблема неприятных запахов может возникать даже тогда, когда соблюдены нормативы ПДК по основным загрязняющим веществам в воздухе, так как человек зачастую чувствует запахи при более низких концентрациях ДПВ, чем установленные ПДК.

Неприятный запах могут образовывать множество веществ, далеко не все из которых включены в перечень вредных и загрязняющих. Кроме того, неприятный запах в воздухе присутствует даже при концентрации нескольких дурнопахнущих веществ ниже их ПДК для каждого. Определение состава ДПВ для неизвестного источника часто является сложной технической задачей. В случае с очистными сооружениями канализации, работающими и с бытовыми, и с промышленными стоками, такими веществами являются сероводород, аммиак и меркаптаны, а также углеводороды С5-С10, фенол и формальдегид и многие другие.

Так как проблема борьбы с запахами появилась в первую очередь из-за жалоб населения, то иногда ее решают не только технически, но и организационно. Например, в одном из городов штата Калифорния (США) мусорный полигон расположен в 1,5 км от городской школы. Несмотря на то, что между школой и мусорным полигоном расположены холмы, родители часто жаловались на запах. Анализ показал, что максимальное количество жалоб поступает с 7 до 9 часов утра, когда родители приводят детей в школу. Поэтому первым шагом решения проблемы стал запрет приема и обработки мусора в эти часы, и лишь после этого руководство полигона перешло к модернизации и переходу на более современные методы обработки мусора, снижающие выбросы ДПВ [2]. По этой причине первым шагом в рамках программы по уменьшению выброса ДПВ должен стать анализ жалоб. В какое время года и суток идет основная масса жалоб? На какой из стадий технологического процесса возникает неприятный запах. Как можно уменьшить его выход в атмосферу?

При наличии жалоб населения на запахи от объектов транспортировки стоков и от самих очистных сооружений канализации, первым шагом обычно становится централизация выбросов, что достигается герметизацией приемных камер, каналов, песколовок, первичных отстойников и других объектов с помощью специальных перекрытий (куполов) (рис. 2). После герметизации грязный воздух из-под перекрытия забирается и направляется на газоочистку. При этом важно обеспечивать высокую кратность воздухообмена под перекрытиями для предотвращения накопления там дурнопахнущих, взрывоопасных и химически активных газов. В противном случае это может привести к накоплению опасных газов под перекрытиями, ускоренной коррозии и разрушению элементов сооружений, и, даже, к взрывоопасной ситуации. Так, например, в Российской Федерации минимальной кратностью воздухообмена для различных зданий и помещений на сооружениях канализации является пятикратный обмен воздуха в течение часа (СП 32.13330.2012 пп. 11.2). Отдельно нужно отметить, что если на очистных сооружениях используется аэрирование (в песколовках, в аэротенках и т.п.), это приводит к многократному увеличению эмиссии растворенных в воде ДПВ и выбросу их в атмосферу, причем, чем ближе такие элементы к голове сооружений, тем интенсивнее выбросы неприятных запахов. В результате затраты на газоочистку значительно возрастают по сравнению с объектами, где нет аэрации.

Рис. 2. Перекрытия на станции очистки сточной воды в Австралии

Следующим шагом становится определение списка целевых пахучих веществ, их концентраций, массового выброса и необходимой степени очистки. В мире существуют разные подходы. Например, многие страны используют ольфактометрию, в которой определяется необходимая степень разбавления воздуха для полного исчезновения запаха. Данный метод не позволяет определить состав газа и концентрацию каждого вещества, а определяет лишь степень разбавления газа до уровня, при котором запах не ощущается. Концентрация запаха измеряется в единицах запаха на 1 м³ (odour unit/m³, OU/m³). Для таких измерений уровня запаха используются полевые или лабораторные ольфактометры. Полевые ольфактометры обеспечивают разбавление измеряемого воздуха чистым непосредственно на сооружениях, но точность в этом случае небольшая. Такой подход популярен в Северной Америке. В то же время в США на федеральном уровне ольфактометры не признаются в качестве нормативной методики, и их применение относится к компетенции отдельных штатов. В Европе более популярны лабораторные ольфактометры, работающие с заранее отобранными образцами и тестируемые контрольной группой людей, специально отобранной с расчетом на их средний уровень обоняния. Эта методика принята в качестве норматива в странах Евросоюза. Использование данной методики позволяет точно измерить уровень запаха, однако этот подход имеет ряд недостатков. В частности, измерение определяет лишь наличие запаха и не говорит о его качестве. Например, использование одорантов, маскирующих запах, на практике может помочь снизить жалобы населения. Но с точки зрения ольфактометрии уровень запаха не изменится. Таким образом, ольфактометрия остается предметом дискуссий, и в настоящее время разные страны решают вопрос, исходя из текущей ситуации на объектах и вокруг них. В Российской Федерации в настоящее время измерение уровня запаха ольфактометрическим способом нормируется ГОСТ 32673-2014 «Правила установления нормативов и контроля выбросов дурнопахнущих веществ в атмосферу», но на практике из-за сложности трактовки результатов используют контроль согласно нормам предельно-допустимых выбросов по конкретным веществам, способы измерения концентраций которых гораздо более просты и очевидны.

В случае очистки хозяйственно-бытовых стоков состав дурнопахнущих веществ относительно стабилен, и в качестве индикаторного показателя могут выступать концентрации сероводорода, аммиака и меркаптанов. Если система газоочистки хорошо удаляет эти вещества до принимаемого в каждом конкретном случае уровня, то это соответствует отсутствию дурнопахнущих веществ в целом на границе санитарно-защитной зоны. При этом технические решения очистки воздуха должны быть комплексными и многостадийными [3].

На действующих очистных сооружениях перед выбором систем очистки воздуха обязательно проводятся замеры концентрации сероводорода, аммиака и других целевых веществ. Поскольку в течение дня концентрация растворенных в воде ДПВ сильно меняется, измерения должны проводиться непрерывно в течение нескольких суток. Это делается для определения среднесуточного массового выброса, а также максимальных пиковых и средних значений концентрации ДПВ. Особую сложность представляют замеры на еще не перекрытых участках сооружений, так как после перекрытия более ранних по схеме участков обработки стоков концентрация ДПВ на следующих открытых участках может вырасти более чем в 10 раз. Для эффективного измерения эмиссии с открытых источников рекомендуется применение ветрового тоннеля или аналогичных систем, позволяющих перекрыть часть поверхности источника, подавать туда с определенной кратностью чистый воздух и определять концентрацию ДПВ на выбросе из «тоннеля» [4].

После определения необходимых расходов воздуха и концентраций ДПВ выбирают оптимальную технологию газоочистки. Широко распространена очистка воздуха адсорбентами на основе активированных углей (АУ), позволяющими удалять широкий спектр органических и неорганических загрязнений практически до нуля в начальный период. Пропитка углей импрегнирующими добавками позволяет увеличить адсорбционную способность по конкретным целевым веществам. Универсальных импрегнантов не существует, поэтому производители предлагают широкий ряд адсорбентов, предназначенных для удаления конкретных веществ: сероводорода, аммиака, других кислых или щелочных газов, формальдегида, ртути. При этом емкость угля по другим, не целевым веществам, снижается, поскольку импрегнант занимает часть поверхности угля.

Широкое применение активированного угля ограничено его высокой стоимостью. Типичная емкость по сероводороду обычного активированного угля (АУ) составляет до 10% по массе (1 кг засыпки может поглотить до 100 г сероводорода). Для импрегнированного угля она составляет до 20% по массе. Кроме этого, некоторые производители предлагают адсорбционные засыпки повышенной емкости (до 50%) по массе, изготовленные с добавлением перманганата калия, оксида алюминия и других веществ. Стоимость таких засыпок в 5-10 раз выше, чем у обычного АУ, но их применение позволяет реже обслуживать адсорберы. Также нужно учитывать, что в условиях очистных сооружениях в воздухе присутствует не только сероводород, но и органические загрязнители. Их концентрация обычно в 2-3 раза выше, чем концентрация сероводорода, поэтому их поглощение снижает адсорбционную способность АУ по сероводороду в 2-3 раза. При этом известно, что утилизация загрязненного вредными и дурнопахнущими веществами активированного угля зачастую становится проблемой для эксплуатирующих организаций.

Высокая эффективность адсорбции пахучих веществ на активированном угле часто делает его оптимальным решением для финишной очистки или доочистки воздуха (с концентрациями сероводорода до нескольких мг/м³) или для работы при небольших расходах воздуха (менее 300-1000 м³/ч). Однако при больших концентрациях ДПВ традиционно используются более дешевые технологии грубой предварительной очистки воздуха. Классическим решением данной задачи являются химические скрубберы. Хотя и реакции в скруббере идут относительно медленно, что приводит к значительным габаритным размерам установки. Очищаемый воздух последовательно пропускается через кислотное и щелочное орошение для удаления разных типов ДПВ, что делает оборудование весьма громоздким. Типичная эффективность очистки воздуха скруббером составляет 50-70%. В условиях умеренного климата с отрицательными зимними температурами воздуха обязательно требуется подогрев линий водоснабжения и водоотведения скруббера.

Вариантом реализации химических скрубберов являются перекисные скрубберы для удаления сероводорода. В этом случае в щелочной скруббер добавляется перекись водорода, что позволяет увеличить скорость реакции и уменьшить размеры реактора. Кроме того, продуктом реакции в данном случае становится сульфат натрия, который проще утилизировать, нежели традиционный сульфид натрия. Такие установки, например, испытывались в Австрии [5]. Скрубберы эффективно работали, однако расходы на их содержание (реагенты) оказались достаточно высоки и технология не получила широкого распространения. Кроме того, используемая перекись водорода пожароопасна и требует специальных условий хранения (температура окружающего воздуха не выше 30°С, что требует дополнительных мер предосторожности в летний период). Поэтому данный метод не получил широкого распространения.

Скрубберная технология хорошо отработана и известна в мире. Главным недостатком данного подхода остается высокий расход химических реагентов, который приводит к значительным эксплуатационным затратам, и утилизация шлама становится все дороже по мере ужесточения экологических требований. Также в скрубберной технологии предъявляются высокие требования к квалификации обслуживающего персонала, к поддержанию сложного реагентного хозяйства. Все эти причины в совокупности с невысокой эффективностью очистки приводят к постепенному вытеснению химических скрубберов более современными технологическими подходами.

Примером совместного использования скрубберной и адсорбционной технологии являются очистные сооружения канализации г. Нью-Йорка (США). В Нью-Йорке в 1990-х годах была проведена программа модернизации, в рамках которой очистные сооружения оборудовались химическими скрубберами и адсорберами. Всего для Нью-Йорка было установлено 109 адсорберов, размещенных на 12 станциях очистки сточных вод. Рассмотрим типичную схему, использованную на очистных сооружениях North River Water Pollution Control Plant (рис. 3). Данные сооружения спроектированы на расход воды 640 тыс. м³/сут.

Общий расход очищаемого воздуха на сооружениях North River составляет 1 млн. м³/ч. Система очистки воздуха разделена на три группы, каждая из которых обслуживает часть сооружений. Например, Северная группа рассчитана до 500 тыс. м³/ч воздуха. Эта группа состоит из восьми блоков, причем в штатном режиме шесть блоков работают, а два остаются в резерве.

Каждый блок очистки воздуха на очистных сооружениях North River состоит из предварительной очистки щелочным скруббером и доочистки активированным углем. В скруббере происходит реакция сероводорода с гипохлоритом натрия. Для повышения pH среды добавляется гидроксид натрия. Ежедневный расход раствора гидроксида натрия зависит от концентрации ДПВ и составляет от 1,5 м³ до более чем 8 м³ в сутки только для Северной группы. При этом гидроксид натрия в основном расходуется на побочную реакцию с углекислым газом. Закупка реагентов для скруббера вносит существенный вклад в общие эксплуатационные расходы на содержание всей станции.

Адсорберы для финишной очистки воздуха установлены после щелочных скрубберов. Каждый адсорбер рассчитан на расход воздуха 20 тыс. м³/ч и содержит 11 тонн активированного угля. Диаметр адсорбера - 3,7 м, высота - около 4 м. Засыпка разделена на два слоя высотой по 0,9 м каждый. Очищаемый воздух подается посередине между слоями. Половина потока воздуха идет через верхний слой, а половина через нижний для снижения потерь напора. Количество поглощенного углем сероводорода составило не более 3% от веса засыпки после 3,5 лет эксплуатации [6]. Средняя концентрация сероводорода на входе в адсорбер составляла 0,2 мг/м³, что почти в 100 раз ниже концентраций, характерных для ОСК в России и странах СНГ (такая высокая производительность по очищаемому воздуху — 1 млн. м³/ч и низкие концентрации сероводорода, по всей видимости, связаны с тем, что воздух рабочих зон смешивается с общим объемом воздуха над всеми закрытыми сооружениями (см. рис.3).

Низкая концентрация сероводорода позволила производить замену активированного угля 1 раз в 4-6 лет. Обычно же на подобных адсорберах замена угля производится гораздо чаще: от одного до четырех раз в год.

Рис. 3. Очистные сооружения канализации North River, Нью-Йорк. На крыше сооружений расположен парк и зона отдыха. В центре парка – трубы высотой 30 м, выбрасывающие очищенный воздух в атмосферу

Для очистки воздуха от дурнопахнущих веществ часто используются биофильтры. Биологические технологии очистки прошли ряд этапов развития - от огромных биофильтров (поля, засыпанные опилками, на которых живут бактерии, разлагающие ДПВ) до закрытых систем, в которых подложка постоянно орошается потоком воды, создавая оптимальные условия для жизнедеятельности бактерий на ее поверхности. После набора определенного количества загрязнителей орошающая жидкость либо утилизируется, что приводит к большому расходу воды, либо дополнительно обрабатывается щелочью для нейтрализации pH раствора и дальнейшего использования. Капельные биофильтры – наиболее популярны среди современных биотехнологий очистки воздуха. В настоящее время инжиниринговые компании предлагают решения по переделке имеющихся на сооружениях химических скрубберов в орошаемые биофильтры.

Основное распространение биофильтры получили в регионах с теплым и жарким климатом, где они способны эффективно и относительно недорого очищать воздух. Стоит отметить, что для капельного биофильтра характерны и некоторые недостатки классических биофильтров, например, диапазон рабочих температур. Так, для эффективной работы микроорганизмов требуется температура около 25°С. При снижении температуры ниже 15°С начинает происходить гибель микроорганизмов, и эффективность работы системы резко снижается и даже появляются вторичные запахи. Для предотвращения данной проблемы необходимо использовать системы подогрева воздуха и корпуса установки. В ситуации, когда требуется чистить большие расходы воздуха от ДПВ, это будет приводить к значимому повышению капитальных и эксплуатационных затрат на поддержание работоспособности биофильтров.

В процессе работы биофильтра продукты реакции частично смываются потоком орошающей жидкости, а частично накапливаются в биопленке на поверхности засыпки. Для удаления избыточной биопленки используется дополнительные промывки, производимые при участии обслуживающего персонала. Частота таких промывок может колебаться от одного раза в год до ежемесячной, в зависимости от концентрации ДПВ.

Следует помнить, что для классических и капельных биофильтров одной из причин гибели микроорганизмов может стать отравление засыпки вследствие резкого увеличения концентрации сероводорода или других дурнопахнущих веществ. Известно, что биохимические системы хорошо работают лишь при стабильных концентрациях сероводорода, но при скачках концентрации их эффективность резко снижается. При этом сложности возникают и при увеличении, и при снижении концентрации ДПВ, что приводит к закислению или голоданию биомассы и ее вымиранию. А это приводит к значительному снижению общей эффективности работы биофильтров. На восстановление популяции микроорганизмов может потребоваться время, при котором не будут выполняться требуемые показатели очистки воздуха. Ввод биохимических систем в эксплуатацию после простоя требует до нескольких недель.

Любые биофильтры все равно дают остаточный запах, который образуется в процессе жизнедеятельности бактерий. Для удаления остаточного запаха самого биофильтра могут использоваться адсорбционные фильтры на основе активированных углей, которые устанавливаются после биофильтра. Также эти фильтры помогают снизить проскок дурнопахнущих веществ, которые пропускают биофильтры при резких скачках концентрации.

Примером современной биофильтрационной системы могут служить очистные сооружения г. Ханчжоу, Китай (600 тыс. м³/сут.). Население города растет на 5% в год и вся имеющаяся территория активно застраивается. Застройка района около ОСК привела к жалобам местных жителей на запахи, поэтому было принято решение дооснастить очистные сооружения системой защиты от запахов. Зеркало воды было герметично перекрыто от приемной камеры до аэротенков (включительно). В связи с теплым климатом (средняя температура января - 5°С, июля - 29°С) для очистки газа были выбраны орошаемые биофильтры с использованием синтетической загрузки (шарики пенопласта).

Фотография комплекса систем очистки воздуха на ОСК г. Ханчжоу приведена на рис. 4. Одна система рассчитана на очистку 25 тыс. м³/ч, всего на сооружениях установлено 8 таких систем. Слева на рисунке расположен капельный биофильтр на основе синтетической загрузки. Установка частично заглублена под землю, но, несмотря на это, для её размещения потребовалось пятно 20х8 м. Несмотря на низкие концентрации сероводорода на сооружениях (2-3 мг/м³), с использованием данных установок не удалось добиться отсутствия запаха на границе сооружений. Нормативы по запаху не были достигнуты, и пришлось проводить дополнительное дооснащение.

Рис. 4. Система газоочистки на ОСК г Ханчжоу. Слева находится орошаемый биофильтр на инертной засыпке (1 стадия), справа - орошаемый биофильтр на активированном угле (2 стадия) (2018 г.).

На втором этапе модернизации системы газоочистки ОСК г. Ханчжоу были дополнительно установлены орошаемые биофильтры с засыпкой из активного угля (на рисунке справа вдалеке). Каждый такой биофильтр имеет размер 12х3,5 м и высоту 3,5 м и рассчитан на расход воздуха 7000 м³/ч. В каждый комплекс устанавливались четыре таких модуля. Общая территория, занятая комплексом воздухоочистки, составила 100х8 м при расходе воздуха 25 тыс. м³/ч. Всего на территории станции расположено восемь таких комплексов.

Весь очищаемый воздух со станции (200 тыс. м³/ч) был объединен в единый коллектор, по которому очищенный воздух отводится в центр очистных сооружений. Очищенный воздух выбрасывается в атмосферу на максимальном удалении от границы сооружений и от жилых домов для лучшего разбавления.

С помощью всех этих мер удалось добиться отсутствия запаха на границе сооружений и отсутствия жалоб жильцов. Последняя модернизация системы газоочистки прошла в 2018 году, и сотрудники станции надеются, что при таких низких концентрациях сероводорода (2-3 мг/м3) биофильтр проработает без замены угля более 5 лет.

К адаптации опыта ОСК г. Ханчжоу на объектах очистных сооружений в городах РФ следует относиться критически. Средняя температура воздуха в г. Ханчжоу в январе составляет 5℃. Различия в климатических условиях приведут к значительному удорожанию данной технологии в условиях умеренного климата (расходы на подогрев биофильтра и орошающей жидкости в зимний период, подогрев линий водоснабжения и водоотведения).

Типичные концентрации сероводорода на очистных сооружениях в России также оказываются на порядок выше, чем в г. Ханчжоу и колеблются в диапазоне 10–70 мг/м³. В таких условиях ресурс второй ступени на активированном угле окажется существенно ниже.

Орошаемые биофильтры, несмотря на свою популярность, все еще остаются технологически сложным устройством, требующим высокой квалификации обслуживающего персонала. Обязательно нужно контролировать кислотность орошающей жидкости, чтобы не допустить гибели бактерий. Также необходимо иметь стабильный состав и концентрации ДПВ на входе в биофильтр для обеспечения нормальной жизнедеятельности бактерий, так как при пиковых выбросах ДПВ, а также в случае аварийного отключения биофильтра происходит их гибель, а последующее время восстановления популяций может составить до нескольких недель, в течение которых эффективность биофильтра будет существенно ниже требуемой.

В Российской Федерации и во многих странах Центральной и Северной Европы биофильтры не получили широкого распространения. В первую очередь, это связано с климатическими особенностями стран. Для оптимальной жизнедеятельности бактерий необходимо обеспечить температуру воздуха не менее 15°С, что затруднительно в зимний период эксплуатации в большинстве регионов РФ. Кроме того, необходимо обеспечить утепление коммуникаций (водоснабжение, канализация). Похожая ситуация складывается и в странах Северной Европы.

В условиях умеренного климата (Северная Европа, Россия) набирают популярность системы так называемого «холодного» окисления («горячее» окисление — прямое термическое разложение, либо термическое разложение с использованием катализаторов). Первым шагом в разработке подобных систем стали широко известные плазменные системы очистки, использующие газовый разряд. Очистка воздуха от нежелательных примесей основана на плазмохимических реакциях с участием электронов, ионов, возбужденных атомов и молекул, радикалов ОН, N, Н, О и химически активных молекул, например озона, которые образуются в электрическом разряде. Такие системы используются в ряде отраслей промышленности (например, в пищевой промышленности, как часть системы очистки мусоросжигательных заводов).

Газоразрядные установки удаляют широкий спектр органических и неорганических загрязнителей. В зависимости от ситуации используется коронный, стримерный или барьерный разряд. Для разложения летучих органических соединений типичный энерговклад составляет около 2 кВт на 1000 м³/ч очищаемого воздуха. Для сероводорода рекомендуется увеличение энерговклада до 10 кВт на 1000 м³/ч. Газоразрядные установки - это, как правило, мощные, высокопроизводительные системы, работающие при напряжении 15-35 кВ с мощностью 50-100 кВт. Например, такие установки были разработаны сотрудниками Чжецзянского университета (Китай), и используются в системах воздухочистки на промышленных предприятиях КНР. Эффективность таких установок составляет 70-80%, оставшиеся загрязнители удаляются с помощью адсорбции на активированном угле. В случае высоких концентраций на входе (выше 10 мг/м³ по сероводороду) используются системы предочистки на основе химических скрубберов.

Использование газоразрядных технологий на очистных сооружениях канализации выявило ряд сложностей. Высокая влажность вентиляционных выбросов часто приводит к пробоям при формировании разрядов, что значительно снижает эффективности очистки. Некоторые производители, желая повысить конкурентоспособность, занижают эксплуатационные затраты и предлагают оборудование со слишком низким энерговкладом, что приводит к низкой эффективности очистки и быстрому загрязнению финишных адсорбционных ступеней очистки. Таким образом, установки данного типа хотя и давно известны, но не получили широкого распространения в задачах удаления запаха на объектах транспортировки сточных вод, а также на очистных сооружениях канализации.

Другим направлением технологии удаления ДПВ является фотоокисление при обработке воздуха ультрафиолетовым излучением (100-280 нм), которое разрушает молекулы ДПВ и генерирует радикалы ОН, атомарный кислород, озон и другие активные частицы, что приводит к окислению сероводорода и летучих органических соединений в газовой фазе [7]. Основными преимуществами данного способа по сравнению с электроразрядными методами являются отсутствие электродов в реакторе, независимость работы УФ-ламп от состава ДВП и влажности, простота эксплуатации и замены расходуемых элементов (ламп). Отдельно следует отметить, что электроразрядные методы с повышением влажности работают хуже, а для метода обработки УФ-излучением эффективность повышается, так как чем выше влажность, тем больше активных радикалов OH образуется в воздухе. В случае очистных сооружений сточных вод влажность обрабатываемого воздуха составляет около 90%, поэтому метод обработки УФ-излучением существенно эффективнее и надежнее, чем плазменные методы.

Современные мощные УФ-лампы позволяют создавать устройства большой производительности для удаления ДПВ различной природы [7]. Основным недостатком данного способа, а также любого электроразрядного метода, является необходимость большого запаса по мощности для предотвращения проскоков при пиковых нагрузках, возникающих при эксплуатации.

Сложности, возникающие при использовании каждого отдельного метода, побудили разработчиков обратиться к поиску оптимальной комбинации различных методов.

Одной из таких комбинаций, развиваемых в последние годы за рубежом и в России, является фотособционно-каталитический метод (Neutralox, НПО «ЛИТ», Centriair и др.). Главный используемый метод очистки воздуха — фотоокисление/окисление в ультрафиолетовом свете. Далее используются методы каталитического окисления и адсорбция. После фотоокисления очищаемый воздух подается на сорбционно-каталитическую загрузку, где на поверхности сорбента с повышенной емкостью по целевым загрязнителям происходит дальнейшее окисление ДПВ до воды и углекислого газа, с накоплением в сорбенте уже нелетучих остатков неорганических соединений. Достоинством данного комбинированного метода является эффективное использование полученных при фотоокислении активных частиц для разложения летучих соединений, поглощенных сорбционно-каталической засыпкой. В случае необходимости (при высоких концентрациях ДПВ) применяют аналогичную вторую стадию (УФ- и сорбционно-каталитическая ступень).

Этот метод позволяет работать при высоких расходах воздуха и высоких концентрациях сероводорода и других ДПВ, при этом используя существенно меньшие объемы сорбента. Важно заметить, что при таком подходе сорбционная способность сорбента восстанавливается до 70-80% от исходной с помощью относительно простой промывки слабым раствором соды на месте эксплуатации. При этом промывная вода содержит в основном слабый раствор сульфата натрия, что позволяет сбрасывать ее в канализацию, а промытый уголь не содержит опасных сероводорода и меркаптанов.

Типичные энергозатраты составляют 2-4 кВт на 1000 м³/ч. Установки данного типа получили широкое распространение на очистных сооружениях канализации в условиях умеренного климата (Швеция, Норвегия, Германия, России и т.д.) (рис. 5).

Рис. 5. Система очистки воздуха на основе фотосорбционно-каталитического метода, установленная на насосной станции очистки и перекачки сырого осадка Люберецких очистных сооружений (г. Москва). Установлены два комплекса ВЕНТЛИТ-10000 производства НПО «ЛИТ», рассчитанные на расход воздуха 10 тыс. м³/ч каждый (2016 г.).

Мусоросортировочные комплексы также являются источником неприятного запаха. Дурнопахнущие вещества там представлены широким спектром летучих органических и неорганических соединений. Для их удаления на мусоросортировочных заводах в странах Северной Европы часто применяется фотосорбционно-каталитический метод. Так, в шведском Гетеборге на заводе по переработке органических отходов Renova установлен высокопроизводительный фотосорбционно-каталитический комплекс очистки, рассчитанный на расход воздуха 72 тыс. м³/ч (рис. 6). Применение данного комплекса позволило удалять весь спектр дурнопахнущих веществ и снизить уровень запаха с 1500 до 90 ед. запаха/м³. Жалобы местных жителей, регулярно поступающие с момента запуска завода, прекратились после внедрения комплекса очистки воздуха. В России также ведутся работы по решению проблемы удаления ДПВ на новых мусоросортировочных предприятиях, в том числе с использованием фотосорбционно-каталитического метода.

Рис. 6. Система очистки воздуха на заводе переработки органических отходов Renova (Гетеборг, Швеция). Фотосорбционно-каталитический метод. Производительность – 72 тыс. м³/ч.

Для определения наиболее подходящей технологии очистки нередко используют пилотное тестирование оборудования. В зависимости от ситуации поставщиками оборудования разных типов могут выступать одна компания или несколько разных. При проведении пилотных тестов ведущие мировые компании (например, американская Jacobs) рекомендуют выбирать длительный промежуток времени, не менее 16 недель, что позволяет оценить эффективность работы в разных климатических условиях. В российских условиях к этому стоит прибавить обязательное проведение испытаний в зимний период эксплуатации, как наиболее сложный. Сравниваемые установки должны быть установлены на один и тот же источник. Замеры концентрации сероводорода, как наиболее сложно удаляемого вещества с сильным неприятным запахом, должны проводиться одновременно на всех установках. Рекомендуемая частота замеров: ежедневные двукратные, либо однократные с чередованием по времени суток. По итогам испытания определяют тип технологии очистки воздуха, который является оптимальным в данных конкретных условиях.

 

Рис. 7. ОСК Дублин Сан Ремон (Калифорния, США) расположены в густонаселенном районе, что предъявляет высокие требования к газоочистке.

При выборе оборудования для очистки воздуха также следует учитывать, что стоимость очистки воздуха экспоненциально возрастает с ростом эффективности очистки. Так, компания Jacobs приводит пример модернизации системы очистки воздуха на ОСК Дублин Сан Ремон, Калифорния, США [8] (рис. 7). ОСК обслуживают район с населением 163 тыс. человек, средний расход сточной воды на сооружениях в 2008 году составлял 60 тыс. м³/сут. Очистные сооружения расположены в густонаселенном районе, за границей сооружений находится коммерческая недвижимость, футбольный комплекс, детские площадки и места для пикников. Суммарный расход воздуха, подлежащего очистке от запаха, составил 20 тыс. м³/ч [9]. Первый этап модернизации был проведен в 1999 году и позволил снизить выбросы ДПВ на 70% от исходного уровня. Капитальные затраты на первом этапе составили 500 тыс. долларов. Однако их эффективность была признана недостаточной, и следующая модернизация в 2003 году позволила довести суммарную эффективность очистки до 90%, а суммарный размер капитальных затрат увеличился в 10 раз, до 5,5 млн. долларов. Наконец, в 2007 году, увеличив суммарные капитальные затраты до 11,5 млн. долларов, удалось достичь эффективности очистки 95%, которая и была сочтена приемлемой (рис. 8.).

Рис. 8. Зависимость эффективности удаления запаха от капитальных затрат на газоочистку. ОСК Дублин Сан Ремо, Калифорния, США.

После выбора, закупки и монтажа газоочистного оборудования может возникнуть впечатление, что задача удаления запаха решена. К сожалению, это не так. Независимо от выбранной технологии газоочистное оборудование требует регулярного обслуживания и контроля. При отсутствии данных работ эффективность работы и сроки эксплуатации могут значительно снизиться. Сотрудники Шведского института технических исследований в 2013 году провели анализ эффективности работы газоочистного оборудования на очистных сооружениях канализации и на заводах по переработке мусора [10]. Была исследована эффективность более 70 установок, работающих на объектах по всей Швеции. Средняя эффективность работы оборудования по удалению запаха составила всего лишь 58%, что крайне низко. Практически не работали плазменные газоразрядные установки (медианная эффективность 7%). Также неэффективно работали озоновые установки (медианная эффективность 51%). Традиционные химические скрубберы имели эффективность 50-60%. Адсорберы на активированном угле убирали в среднем 72%, причем низкая эффективность была связана с нарушением регламента замены сорбента. Стабильно высокую эффективность имели биофильтры (90%), фотособрционно-каталитический метод (медианная эффективность выше 98%) и высокотемпературное окисление (99%).

Анализируя результаты большого количества изученных установок по всей Скандинавии, исследователи указали следующие типичные ошибки при выборе и эксплуатации газоочистного оборудования:

  • Проблематика очистки воздуха от ДПВ является новой и руководители отрасли недостаточно знакомы с современными технологиями в данной области. Руководство сооружений, как правило, не имеет актуальных данных о том, в чем конкретно заключается проблема с запахами (какие технологические процессы служат основным источником запаха, какие концентрации ДПВ, какая степень очистки требуется).
  • Отсутствие данных о реальном опыте эксплуатации приводит к тому, что приоритет отдается известным, но устаревшим технологиям газоочистки. Не последнюю роль играет низкая стоимость закупаемого оборудования, изготовленного по старым технологиям. Однако после его закупки эксплуатационные расходы зачастую выше стоимости самого оборудования, проблема запаха не решается, и жалобы населения продолжаются.
  • Даже если при проектировании были выбраны современные технологии, руководителям тяжело сориентироваться среди множества компаний, предлагающих оборудование по данной технологии. В результате приоритет снова отдается оборудованию, имеющему самую низкую цену. При этом требования к оборудованию прописываются в общих словах, указываются недостоверные концентрации ДПВ, не прописывается требуемая эффективность очистки. В итоге выбранное оборудование хотя и использует современную технологию, но не соответствует реальным потребностям сооружений и параметры работы оборудования (эффективность очистки, частота замены, срок службы) оказываются совершенно неприемлемыми в реальных условиях эксплуатации. Поставщики оборудования зачастую отказываются решать проблемы, возникающие в процессе работы оборудования, аргументируя тем, что реальные параметры эксплуатации не соответствуют тем, что были указаны в требованиях к поставляемому оборудованию.
  • Если в гарантийный период поставщик производит регламентные работы самостоятельно в рамках гарантийного обслуживания, то часто сотрудники станций не проходят обучение работе с установками. После окончания гарантийного срока сотрудники станций не умеют обслуживать установки, не проводят замеры эффективности очистки, не выполняют регламентные работы. Зарубежная практика использования систем газоочистки показывает, что заключение длительных договоров сервисного и технического обслуживания установок с обслуживающими компаниями или самим производителем оборудования позволяет гарантировать своевременность технического и технологического обслуживания, включая замену расходных материалов, и гарантирует сохранение требуемой эффективности работы систем газоочистки.

Отметим, что указанные выше проблемы характерны не только для Скандинавии, но часто встречаются по всему миру, в том числе и в странах СНГ.

 

Основные критерии выбора и применения технологии очистки воздуха от ДПВ

Так как проблема очистки воздуха от ДПВ стала актуальной относительно недавно для существующих очистных сооружений, то вопросы удаления ДПВ решаются в процессе модернизации объектов ОСК или их реконструкции. Модернизацию очистных сооружений в части удаления ДПВ следует начинать с четкой постановки задачи, выявления наиболее проблемных с точки зрения запаха точек и требований к эффективности. Одним из первых шагов станет централизация мест выброса — перекрытие приемных камер, механических решеток, песколовок, первичных отстойников, и дальнейшая подача воздуха на газоочистку. Выбор газоочистного оборудования должен определятся не только стоимостью оборудования, но и возможностью обеспечения необходимой эффективности газоочистки, приемлемыми эксплуатационными затратами, гарантийными обязательства поставщика и стоимостью сервисных работ.

В таблице 1 приведены основные достоинства и недостатки методов очистки воздуха от ДПВ на очистных сооружениях канализации и объектах транспортировки сточной воды. Из таблицы 1 видно, что применение химических скрубберов, как правило, не оправдано для применения в задачах удаления запаха сточных вод. Использование электроразрядных методов также неоправданно из-за высокой влажности очищаемого газа. Адсорбция активированным углем позволяет достичь высокой эффективности очистки ДПВ, но связана с высокими эксплуатационными затратами на замену и утилизацию отработанной засыпки. По этой причине адсорберы постепенно вытесняются более современными методами. В регионах, где температура воздуха обычно не опускается ниже нуля градусов, широко используются капельные биофильтры.

Таблица 1. Критерии применимости наиболее известных методов газоочистки на предприятиях ЖКХ

          [1] Слабовыраженный эффект
           2 - низкая: единицы мг/м³ - средняя: до десятков мг/м³ - высокая: сотни мг/м³
           3 - малые: сотни и тысячи м³/ч - большие: до десятков тысяч м³/ч
           4 Зависит от состава очищаемого воздуха и требуемой степени очистки

Заключение

Проблема запаха очистных сооружений и других объектов коммунального хозяйства существует давно. Из-за роста городов по всему миру эта проблема становится все более актуальной. Удаление запахов – это дорогостоящая задача, как с точки зрения инвестиций, так и с точки зрения эксплуатационных расходов.

Первоначально задачу удаления запахов решали выбором одного конкретного метода очистки воздуха. Однако недостатки каждого отдельного метода приводили к повышенным эксплуатационным затратам или низкой эффективности. Дальнейшее развитие технологии связано с переходом к использованию комбинированных методов.

Большое разнообразие методов удаления запахов дает возможность сделать оптимальный выбор для конкретного объекта. Методы очистки воздуха быстро развиваются, поэтому важно следить за ситуацией в отрасли по всему миру Разные методы имеют свои плюсы и минусы, комбинируя их, можно получить оптимальное решение. Для этого проектировщики должны иметь высокую квалификацию и разбираться в преимуществах тех или иных методов очистки воздуха от запаха. Если проектировщики не ориентируются в современных методах очистки, то они могут рекомендовать давно известные, но уже устаревшие технологии. Использование устаревших подходов приведет к низкой эффективности очистки воздуха и завышенным эксплуатационным затратам.

Наиболее известным способом очистки воздуха от ДПВ является активированный уголь. Однако его высокая стоимость и пожароопасность побуждает компании по всему миру переходить на более современные методы очистки. В странах с теплым климатом популярным методом является орошаемый биофильтр, который вытесняет использовавшийся ранее химический скруббер. В таких системах активированный уголь часто используется для финишной доочистки воздуха после скруббера. В странах с умеренным климатом использование биофильтров затрудненно из-за необходимости обеспечить температуру засыпки не менее 15°С в зимний период эксплуатации, необходимости регулярного водоснабжения и водоотведения.

Фото-сорбционно-каталитический метод широко используется на очистных сооружениях и мусоросортировочных заводах Германии, Скандинавии и России. Этот метод позволяет работать при температуре очищаемого воздуха выше 2°С, сохраняя высокую эффективность. Дополнительным плюсом данного метода является обеззараживание очищаемого воздуха. При больших концентрациях сероводорода и других ДПВ используются дополнительные системы предварительной очистки воздуха перед фото-сорбционно-каталитической системой.

Список литературы

1. Richard Stuetz. Challenges in Sampling and Measuring Odours and Odorants // 8th IWA Conference on Odours & Air Emissions, October 14–17, 2019, Hangzhou, China.

2. Yuge (Gloria) Bian, I. H. (Mel) Suffet. Design of Odor Patrols to Evaluate Landfill Odors/8th IWA Conference on Odours & Air Emissions, October 14–17, 2019, Hangzhou, China.

3. Богомолов М.В., Кармазинов Ф.В., Костюченко С.В. Методы удаления запахов в системах транспортировки и очистки сточных вод. // Водоснабжение и санитарная техника. 2016, № 7, с. 33-43.

4. Bart Eklund. Practical Guidance for Flux Chamber Measurements of Fugitive Volatile Organic Emission Rates, //Journal of the Air & Waste Management Association, 1992. 42:12, 1583-1591, DOI: 10.1080/10473289. 1992.10467102

5. M. Miltner, A. Makaruk, J. Krischan and M. Harasek. Chemical-oxidative scrubbing for the removal of hydrogen sulphide from raw biogas: potentials and economics. // Water Science &Technology. 66.6 2012

6. A.Bagreev, W.Kuang, T. Bandosz. Predictions of H2S Breakthrough Capacity of Activated Carbons at Low Concentrations of Hydrogen Sulfide. // Adsorption, 2005. V.11. p 461–466.

7. М. В. Богомолов, М. Г. Брюков, А. И. Васильев, Л. М. Василяк, Е. М. Касаткин, С. В. Костюченко, Н. Н. Кудрявцев, Д. А. Левченко, Д. А. Собур, С. А. Стрельцов. Фотоокисление примесей сероводорода и формальдегида во влажном воздухе ультрафиолетовым излучением. // Успехи прикладной физики. 2019. Т. 7. №2. С. 165-176.

8. Jay Witherspoon. Odour from wastewater treatment & biosolids and management strategies // 8th IWA Conference on Odours & Air Emissions, October 14–17, 2019, Hangzhou, China.

9. Dublin San Ramon. Services District: 2008 Update to WWTP Odor Control Focus Areas./ Dublin San Ramon Services District, July 2009.

10. S.-A. Barr, H. Bjurström, M. Olofsgård, M. Arbrandt, U. Follin, M. Wesslau. Evaluations and Recommendations for Odour Control Equipment at Waste Water Refinery Plants and Waste Water Treatment Plants. SP Sveriges Tekniska Forkningsinstitut, 2013


← Назад к новостям