Использование осадка очистки сточных вод для производства биоэнергии

Очистные сооружения производят огромное количество осадка как неизбежный побочный продукт очистки муниципальных и промышленных стоков. В течение десятилетий этот полутвердый материал рассматривался в первую очередь как бремя утилизации - дорого управлять и чреватый экологическим риском. Сегодня эта перспектива меняется. Осадок все чаще признается не как отходы, а как ресурс, богатый органическим углеродом и питательными веществами. Применяя современные биохимические и термохимические технологии преобразования, объекты сточных вод могут превращать осадок в ценную биоэнергию: биогаз, биосингаз, бионефть и даже тепло и электричество. Этот переход поддерживает цели в области возобновляемых источников энергии, снижает выбросы парниковых газов и согласуется с принципами круговой экономики. В этой статье исследуется состав осадка сточных вод, основные пути производства биоэнергии, преимущества и препятствия этих технологий и перспективы расширения систем осадка до энергии.

Что такое сточные воды?

Осадок сточных вод — часто называемый биотвердыми после обработки — представляет собой твердую фракцию, отделенную от жидких сточных вод во время первичной и вторичной обработки. Первичный осадок состоит из осевших твердых веществ, удаленных в резервуарах для осадков; он содержит песок, органическое вещество и некоторые патогены. Вторичный осадок (или активированный осадок отходов) представляет собой биомассу, генерируемую процессами биологической очистки, где микроорганизмы потребляют растворенные органические загрязнители. В сочетании эти осадки обычно составляют 95-99% воды. Обезвоживание снижает содержание влаги до 70-80%, что дает толстый, похожий на пасту материал.

Состав ила широко варьируется в зависимости от характеристик воздействия, процессов лечения и сезонных факторов. На сухой основе ил обычно содержит 40-60% органического вещества (белки, углеводы, липиды), 20-30% минералов (кремнезем, кальций, железо) и меньшие количества азота, фосфора, калия и микроэлементов. Он также содержит патогены, тяжелые металлы и органические микрозагрязнители, такие как фармацевтические препараты и продукты личной гигиены - загрязняющие вещества, которые должны тщательно управляться в любом благоприятном сценарии использования.

Мировое производство осадка огромно. Только в США ежегодно производится около 7 млн. сухих тонн, а в Европейском союзе производится около 10 млн. сухих тонн. С урбанизацией и более строгими стандартами качества воды эти объемы растут. Устойчивое управление осадком является поэтому насущной экологической и экономической проблемой.

Традиционный менеджмент осадков

Исторически наиболее распространенными методами удаления осадка были захоронение, сжигание и применение земли. Каждый из них имеет значительные недостатки. Наполнение земли потребляет ценное пространство и может выделять метан - мощный парниковый газ - если не улавливается должным образом. Сжигание уменьшает объем, но требует высокой энергии и производит пепел, который должен быть утилизирован; выбросы воздуха также требуют строгого контроля. Применение земли на сельскохозяйственных полях использует питательные вещества, но вызывает опасения по поводу передачи патогенов, накопления тяжелых металлов в почвах и общественного восприятия.

Эти традиционные подходы становятся менее приемлемыми из-за давления со стороны регулирующих органов, роста затрат и общественного противодействия. В результате водохозяйственные компании активно ищут более устойчивые, энергоположительные альтернативы. Преобразование ила в биоэнергетику предлагает способ компенсировать эксплуатационные расходы, уменьшить выбросы углерода и генерировать поток доходов от материала, ранее считавшегося обязательством.

Пути производства биоэнергии

Несколько хорошо зарекомендовавших себя и появляющихся технологий могут преобразовывать органическую фракцию ила в полезную энергию. Выбор технологии зависит от характеристик ила, масштаба установки, желаемой выработки энергии (биогаз, сингаз, тепло, электричество) и местных экономических условий. Три наиболее заметных пути - анаэробное переваривание, термическое преобразование (пиролиза и газификации) и сжигание с рекуперацией энергии.

Анаэробное пищеварение

Анаэробное пищеварение (АД) является наиболее зрелой и широко используемой технологией отстоя к биоэнергии. В АД микроорганизмы расщепляют органическое вещество в среде, свободной от кислорода, на четырех последовательных этапах: гидролиз, ацидогенез, ацетогенез и метаногенез. Конечным продуктом является биогаз, смесь, содержащая 50-70% метана (CH4) и 30-50% углекислого газа (CO2), со следовыми количествами сероводорода и аммиака. Биогаз может сжигаться непосредственно в котлах или двигателях для производства тепла и электричества или модернизироваться до биометана (≥95% метана) для впрыска в сети природного газа или использования в качестве топлива для транспортных средств.

Остаточная твердо-жидкая смесь после переваривания — называемая дигестатом — богата питательными веществами. При правильном лечении дигестат можно наносить на землю в качестве кондиционера почвы и удобрения, закрывая питательную петлю. Анаэробное переваривание также значительно снижает уровень патогенов и запах, делая биосолиды более приемлемыми для полезного использования.

Современные системы AD часто работают при мезофильных (35-40 ° C) или термофильных (50-60 ° C) температурах. Термофильное пищеварение обеспечивает более быструю скорость реакции и лучшее разрушение патогенов, но требует больше энергии для нагрева. Совместное переваривание - добавление других органических отходов, таких как пищевые отходы, жиры или сельскохозяйственные остатки - может повысить урожайность биогаза до 50% и генерировать дополнительный доход от платы за чаевые для завода.

Технологии термоконверсии

Для ила, который не подходит для AD (например, сильно загрязненный или уже обезвоженный), термические процессы предлагают альтернативу. Пиролиз включает нагревательный ил при 300-700°C в отсутствие кислорода, производство биоуголь (твердый материал, богатый углеродом), био-масла и сингаза. Газификация работает при более высоких температурах (800-900°C) с контролируемым кислородом для преобразования органического материала в основном в сингаз (CO + H2), который может использоваться в двигателях или турбинах. Гидротермальная карбонизация (HTC) обрабатывает влажный ил при умеренных температурах (180-250 °C) под давлением, выдавая гидроуголь и жидкую фазу, которая может быть анаэробно переварена.

Эти термальные пути обеспечивают высокую энергетическую рекуперацию и полное разрушение патогенов. Они также иммобилизуют тяжелые металлы в твердом остатке, снижая риск выщелачивания. Однако они требуют значительных капитальных вложений и часто все еще нуждаются в предварительной сушке ила для достижения приемлемой тепловой эффективности. Исследования продолжаются по интеграции тепловых процессов с AD для максимизации общего выхода энергии.

Сжигание с восстановлением энергии

Сжигание осадка в больших масштабах (обычно > 100 000 эквивалентов населения) может производить пар для производства электроэнергии с помощью турбин. Современные заводы используют реакторы с жидким слоем и расширенный контроль загрязнения воздуха для удовлетворения строгих стандартов выбросов. Эффективность восстановления энергии достигает 25-30%, при этом объемы золы уменьшаются примерно до 10-20% от первоначальной массы осадка. Несмотря на его техническую зрелость, сжигание сталкивается с высокими затратами, общественным противодействием и нормативными препятствиями во многих регионах, что делает его менее предпочтительным, чем AD для небольших заводов.

Преимущества Sludge-to-Bioenergy

Переход от утилизации к восстановлению энергии приносит много преимуществ в экологических, экономических и социальных аспектах.

• Снижает зависимость от ископаемого топлива: Содержание метана в биогазе непосредственно вытесняет природный газ. Электричество, вырабатываемое из биогаза, может приводить к работе электростанций (нагревателей, насосов, аэрации) или экспортироваться в сеть.
• Снижает выбросы парниковых газов: Анаэробное пищеварение улавливает метан, который в противном случае был бы высвобожден из неконтролируемого разложения на свалках. Сгорание биометана выделяет биогенный CO2, который является частью краткосрочного углеродного цикла, и общий углеродный след значительно ниже, чем альтернативы ископаемым.
• Минимизирует проблемы утилизации отходов: Преобразование шлама в энергию уменьшает объем, требующий свалки или применения земли. Дигестат и биоуголь могут использоваться с пользой, что еще больше отвлекает материал от утилизации.
• Производит ценные побочные продукты: Помимо энергии, богатый питательными веществами дигестат может заменить синтетические удобрения. Биочар улучшает структуру почвы, удержание воды и улавливание углерода при применении к сельскохозяйственным угодьям.
• Получает доходы и экономит затраты: Восстановление энергии сокращает закупки электроэнергии и природного газа. Совместное переваривание с внешними органическими отходами обеспечивает чаевые. Продажа биометана, сертификатов на возобновляемые источники энергии или углеродных кредитов может создать новые потоки доходов.

С точки зрения коммунальных услуг, переход от осадка к энергии может перевести очистную установку из потребителя энергии (часто 25-40% от общих эксплуатационных расходов) в энергонейтральный или даже энергоположительный объект. Многие заводы во всем мире достигли или превысили чистую нулевую энергию, объединив AD с солнечными или ветряными источниками.

Проблемы и соображения

Несмотря на очевидные преимущества, широкое внедрение ила в биоэнергетику сталкивается со значительными препятствиями, которые требуют тщательного планирования и инвестиций.

• Высокие первоначальные капитальные затраты: Строительство анаэробных дигестеров, газоочистного оборудования, установок ТЭЦ или систем теплообмена требует миллионов долларов. Небольшие заводы могут изо всех сил пытаться оправдать инвестиции без государственных субсидий или инновационных моделей финансирования.
• Требования к предварительной обработке осадка : Для увеличения выходов биогаза и сокращения времени удержания многие объекты используют методы предварительной обработки, такие как термический гидролиз, ультразвуковая обработка или химическая солюбилизация.
• Патогены и тяжелые металлы: Осадок может содержать патогены человека, фармацевтические препараты, тяжелые металлы и другие загрязняющие вещества. Такие правила, как правило части 503 EPA США, устанавливают строгие ограничения на эти компоненты для применения на суше. Эффективная обработка (например, термофильное пищеварение, пастеризация) требуется, но добавляет эксплуатационные расходы.
• Нормативно-правовые нормы и стандарты безопасности: Биогазовые системы подпадают под различные пожарные, взрывные и экологические коды. Обработка сероводорода и поддержание сосудов под давлением требуют строгих протоколов безопасности и обученного персонала.
• Общественное восприятие и принятие сообщества: Соседи часто выступают против установок по переработке осадка из-за проблем с запахом и предполагаемых рисков для здоровья. Прозрачная связь и проверенные послужной список имеют важное значение.
• Соображения энергетической эффективности: Анаэробное пищеварение обычно преобразует 30-40% органического вещества ила в биогаз. Оставшаяся органическая фракция в дигестате по-прежнему требует управления. Тепловые процессы имеют более высокие коэффициенты конверсии, но также и более высокое потребление энергии для сушки.

Решение этих проблем требует системного подхода. Интегрированные конструкции, которые сочетают AD с тепловыми технологиями (для управления дигестатом) или совместное размещение с обработкой пищевых отходов, могут улучшить общую экономику. Программа биотвердых продуктов США EPA обеспечивает всеобъемлющие руководящие принципы безопасного управления. Продолжение исследований в области передовой предварительной обработки, контроля процессов и удаления загрязняющих веществ еще больше снизит барьеры.