IMPROVEMENT приводит к увеличению производства пара высокого давления.
Удаление CO2 В данном исследовании для удаления CO2 был выбран процесс Oase white компании Basf благодаря огромному опыту работы thyssenkrupp с этой технологией на других крупных установках. Испаритель НД — это аппарат с наибольшим диаметром из всего оборудования, используемого на установке, поскольку он наиболее критичен в части транспортировки на площадку. По этой причине была предпринята попытка уменьшить его диаметр за счет использования более эффективных внутренних устройств, что привело к уменьшению диаметра. Несомненно, существуют некоторые элементы в расчете затрат, которые не отличаются регрессией затрат одновременно с увеличением производительности, например, количество большегрузных кранов во время строительства. Но, несмотря на это, экономия за счет использования меньшего количества единиц оборудования большего размера превышает рост затрат, как и ожидалось.
The Chemical Journal Январь-февраль 2020
Таблица 1. Характеристики компрессоров синтез-газа установок различной мощности. Установка / производительность (тонн в сутки)
Мощность на валу при нормальной работе (кВт)
Нормальная скорость (об/мин)
2200, типовая, «как построено»
25 864
9575
3300 с двумя ступенями давления, «как построено»
28 600
9674
3300, типовая
33 200
9701
4 700 с двумя ступенями давления
38 078
8859
Таблица 2. Данные по компрессору синтез-газа для фактически построенной установки производительностью 3300 тонн в сутки и недавно предложенной установки с одной ступенью давления производительностью 3300 тонн в сутки. расстояние между опорами вала
мощность на валу
3300, типовая
диам. колеса рециркуляции
3300 с двумя ступенями давления, «как построено»
рабочее колесо 1-7 диам.
Установка / производительность (тонн в сутки)
Корпус ВД мощность на валу
Корпус НД расстояние между опорами вала
Более десяти лет назад процесс производства аммиака с двумя ступенями давления в thyssenkrupp открыл путь для производства более миллиона тонн аммиака в год. Проекты такого масштаба демонстрируют, что для таких высоких темпов производства существует рынок. Результатом детальных исследований в области улучшения является следующее: • Исключение этапа однопроходного синтеза и, соответственно, увеличение размера контура синтеза, позволяет предложить установку мощностью 3300 тонн в сутки при использовании меньшего количества оборудования, чем в действующих референтных установках. Это снижает инвестиционные затраты без увеличения риска. • Для более высоких мощностей к этому типу установки можно добавить однопроходный синтез, что позволяет достичь производительности до 5000 тонн в сутки. Обсуждения с поставщиками оборудования и собственными специалистами подтвердили, что возможна реализация обеих версий установки. Обе предоставляют явные экономические преимущества по сравнению с контрольными показателями.
Установка аммиака компании Ma’aden (Саудовская Аравия) мощностью 3300 тонн в сутки.
рабочее колесо 1-8 диам.
Выводы и заключение
мм
мм
кВт
мм
мм
мм
кВт
560
1 823
17 895
475 и 450
425
1 485
10 701
560 и 530
1 823
16 869
500
425
1 637
15 015
41
БИОТЕХНОЛОГИИ
Город Лаишево (Татарстан) стал одной из первых площадок для внедрения новой технологии.
Волновые технологии
в биологической очистке сточных вод В Татарстане создана и апробирована биохимическая технология, способная кратно сократить затраты на очистку стоков. 42
Январь-февраль 2020 The Chemical Journal
БИОТЕХНОЛОГИИ
Яруллин Рафинат Саматович, генеральный директор ОАО «Татнефтехиминвест-холдинг» Угловский Сергей Евгеньевич, генеральный директор ООО «НПО Кинематика»
Х
имическое производство является постоянным и значительным источником стоков. Требования к очистке стоков ежегодно ужесточаются как в мире, так и в Российской Федерации. При этом, по данным журнала watermagazine.ru, около 80% очистных сооружений в России — как промышленных, так и городских, устарели морально или физически, не справляются с нагрузкой, не соответствуют требованиям к качеству очистки стоков и нуждаются в реконструкции. Тем временем, стоимость реконструкции одного объекта достигает сотен миллионов или нескольких миллиардов рублей. Важнейшим этапом очистки являются биологические очистные сооружения
использовать загрязняющие вещества как питательную среду. Множество микроорганизмов, соАктивный ил ставляющих активный ил БОС, находясь в сточной жидкости, поглощает Активный ил — биоценоз зоогенных загрязняющие вещества внутрь клетскоплений (колоний) бактерий, дожде- ки, где вещества под воздействием фер(БОС), которые имеются в каждом мегаполисе и на каждом предприятии.
Около 80% промышленных и городских очистных сооружений в России не соответствуют требованиям к качеству очистки стоков и нуждаются в реконструкции. вых червей и простейших организмов, которые участвуют в очистке сточных вод. Метод биологической очистки с целью удаления из них органических веществ, в том числе соединений азота и фосфора, был изобретен в Великобритании в 1913 году, и основывался на способности некоторых микроорганизмов в определённых условиях
ментов подвергаются биохимическим превращениям. При этом органические и некоторые виды неорганических загрязняющих веществ используются бактериальной клеткой в двух направлениях: 1. Биологическое окисление в присутствии кислорода до безвредных продуктов углекислого газа и воды:
Рис. 1. Виды простейших микроорганизмов активного ила.
The Chemical Journal Январь-февраль 2020
43
БИОТЕХНОЛОГИИ Органическое вещество + О2 (в присутствии ферментов) СО2 + Н2О + Q Выделяющаяся при этом энергия используется клеткой для обеспечения своей жизнедеятельности (движение, дыхание, размножение и т. п.). 2. Синтез новой клетки (размножение): Органическое вещество + N + P + Q (в присутствии ферментов) ⇒ НОВАЯ КЛЕТКА Интенсивность и глубина протекания процессов зависит от качественного состава активного ила, разнообразия форм и видов микроорганизмов, способности их адаптации (приспособления) к конкретному составу загрязняющих веществ сточной жидкости и условий проведения процесса.
осадок применяется в качестве удобрения, строительного материала или же альтернативного топлива.
Аборигенная биота В ходе промышленного производства стоки формируются из трех источников: производственные от технологического процесса, бытовые от персонала, атмосферные от таяния снега и выпадения дождя на промплощадку. Промышленные стоки загрязнены веществами минерального, органического и бактериологического происхо-
Технология демонстрирует улучшение показателей: по БПК5 — в 6 раз, по нефтепродуктам — в 4 раза, — по нитратам — в 30 раз, по мутности — в 10 раз.
Этапы очистки
ждения, часто содержат специфические примеси, иногда — вредные ядовитые Биологическая очистка осуществляет- и радиоактивные вещества. ся в несколько стадий: Специфически загрязненные сто• анаэробная стадия; ки влияют на формирование т.н. «або• аноксидная стадия (денитрифи- ригенной» биоты, которая выживакация). ет и функционирует именно на этих • аэробная стадия; очистных сооружениях и со значитель• отстаивание в промежуточном ной вероятностью — будет менее эфотстойнике; фективна на других БОС. • глубокая биологическая доочистка с применением иммобилизован- Технология ИВМ ных на носителе микроорганизмов; • разделение водно-иловой смеси в Основным направлением исследований, направленных на улучшение экоокончательном отстойнике; номических показателей БОС, было • обезвоживание илового осадка; получение микроорганизмов с повы• сушка илового осадка. Первая стадия обработки происходит шенными характеристиками, устойчив анаэробной зоне, куда также направ- вых к воздействию агрессивных сред. «НПО Кинематика» (Татарстан), ляется рециркуляционная водно-иловая смесь из осадочной части промежуточ- на протяжении многих лет ведущая исследования в области модификации акного и окончательного отстойников. Перед тем как сточная вода поступа- тивного ила, разработала новую техноет в блок биологической очистки (ББО), логию воздействия на микроорганизмы из нее удаляются крупные взвешенные и переноса их в естественную среду. Исследования проведены на обширчастицы. Для этого применяются решетки и песколовки. Пропускная способ- ной фактологической базе.
Технология ИВМ позволяет внести порцию активного ила однократно: внесенные микроорганизмы со временем не снижают свою активность. ность решеток определяется размером их отверстий. Осаждение части прошедших через решетку частиц происходит в песколовке под воздействием центробежных сил кругового движения воды. В большинстве случаев после прохождения участка механического обезвоживания осадок с влажностью 80–85% подвергается дальнейшей переработке: компостированию, обеззараживанию, термической обработке. После сушки 44
реакции на воздействие внешней среды, а также значительно повысила их репродуктивную способность. В основе технологии — сложный органический комплекс, созданный с помощью информационно-волнового метода (ИВМ), который при попадании в межклеточное пространство выступает как генератор, модулятор и усилитель биочастот, что приводит к изменениям энергозатратных реакций и «упорядочиванию» биологически активных структур. Один из видов межклеточной коммуникации биоты происходит посред-
Технология апробирована на нескольких сооружениях на протяжении трех лет. Продемонстрирован значительный экономический эффект. Технология предполагает молекулярный уровень воздействия на клетку (геном) без применения генетических модификаций. Разработка вывела на качественно новый уровень способность микроорганизмов к адаптации и ответной
ством электромагнитных сигналов, образуемых внешним полем клетки с длинами волн от 200 до 1 000 нм. В случае с поврежденной клеткой сигнал по каналу нарушается, что мы и наблюдаем на всех промышленных БОС. Именно этот сбой приводит к снижению продуктивности активного ила. С помощью созданного в «НПО Кинематика» органического комплекса искаженный сигнал корректируется до «нормального» или блокируется. Важно отметить, что во всех случаях исходные образцы активного ила, который подвергался модификации, были взяты именно на тех БОС, где продолжила работу «улучшенная» генерация.
Внедрения ИВМ был применен для биологической переработки и утилизации стоков на очистных сооружениях ОАО «Высокогорские коммунальные сети» и на биологических очистных сооружениях (БОС) г. Лаишево. Решаемая задача — переработка и утилизации промышленных и бытовых стоков с высокой эффективностью и глубиной переработки, а также оценка возможности увеличения нагрузки на БОС без дополнительных капитальных вложений. Программа работ была рассчитана на 12 месяцев. Восстановленные по ИВМ-технологии, «аборигенные» микроорганизмы нарабатывались на утилизируемой среде в биореакторах, затем вносились в БОС. В рамках первого этапа программы реализован ряд НИР по выделению «аборигенных» микроорганизмов и восстановлению их генома, позволивших значительно поднять активность микроорганизмов. Январь-февраль 2020 The Chemical Journal
БИОТЕХНОЛОГИИ
АЭРОТЕНК 1
АЭРОТЕНК 2
ДО
ПОСЛЕ
Слева направо: происходит заселение аэротенков бактериями модифицированного ила, которые оказываются «сильнее» исходных аборигенных бактерий и вытесняют родительскую популяцию. Новые бактерии постепенно уничтожают накопленные за длительный срок отложения, и стенки емкостей становятся идеально чистыми.
Рис. 2. Влияние технологии ИВМ на рост и развитие микроорганизмов очистных сооружений. Рис 3. Высушенные иловые остатки до и после применения технологии ИВМ.
Слева — высушенный избыточный ил. Традиционно избыточный ил выкачивается на иловую площадку, высушивается и складируется. Он токсичен и не может вноситься в почву. Накопленные объемы избыточного ила успешно перерабатываются модифицированными бактериями, после чего очищенный дисперсный остаток (справа) может быть использован как удобрение. В ходе переработки бактериями объем избыточного ила уменьшается на 70%.
Ведется непрерывный мониторинг ка- Динамика изменений на указанных трех чества работы очистных сооружений объектах отражена на примере БОС «Выс 20 мая 2019 года по настоящее время. сокогорские коммунальные сети» (рис. 4). С 30 мая 2019 года в очистные сооружения ОАО «Высокогорские коммуналь- Эффективность технологии ные сети» было внесено 3988 кг культуральной жидкости, с 26 июля 2019 года На очистных сооружениях с аборигенной в БОС канализации г. Лаишево внесено биотой до появления новой технологии повсеместно были накоплены отвердев1260 кг культуральной жидкости. 25 октября 2019 года активные ми- шие отложения загрязняющих веществ. В каждом из проектов, связанных с внекроорганизмы в объеме 500 кг внесены на очистных сооружениях «Иннополис». дрением метода, модифицированные The Chemical Journal Январь-февраль 2020
организмы оказались сильнее родительской популяции, и старая биота была вытеснена более эффективными потомками. Однако новая популяция растет постепенно, и период «захвата территории» новыми модифицированными особями продолжается 6–7 месяцев. За это время происходит полная переработка накопленных загрязнений. Затем созданный биоценоз переключается только на текущие поступающие загрязнения, что отражается 45
2,5 2,4 2,3 2,2 2,1 2,0 1,9 1,8 1,7 1,6 1,5 1,4 1,3 1,2 1,1 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0
20.05.2019 21.05.2019 23.05.2019 24.05.2019 26.05.2019 27.05.2019 29.05.2019 30.05.2019 01.06.2019 02.06.2019 04.06.2019 05.06.2019 07.06.2019 09.06.2019 11.06.2019 12.06.2019 14.06.2019 15.06.2019 17.06.2019 19.06.2019 21.06.2019 23.06.2019 25.06.2019 26.06.2019 28.06.2019 01.06.2019 02.07.2019 04.07.2019 05.07.2019 08.07.2019 10.07.2019 12.07.2019 14.07.2019 17.07.2019 18.07.2019 21.07.2019 23.07.2019 26.07.2019 29.07.2019 31.07.2019 01.08.2019 03.08.2019 06.08.2019 09.08.2019 12.08.2019 16.08.2019 22.08.2019 28.08.2019 03.09.2019 09.09.2019 15.09.2019 23.09.2019 30.09.2019 09.10.2019 18.10.2019 25.10.2019 01.11.2019 11.11.2019 18.11.2019 25.11.2019 02.12.2019 09.12.2019 20.05.2019 21.05.2019 23.05.2019 24.05.2019 26.05.2019 27.05.2019 29.05.2019 30.05.2019 01.06.2019 02.06.2019 04.06.2019 05.06.2019 07.06.2019 09.06.2019 11.06.2019 12.06.2019 14.06.2019 15.06.2019 17.06.2019 19.06.2019 21.06.2019 23.06.2019 25.06.2019 26.06.2019 28.06.2019 01.06.2019 02.07.2019 04.07.2019 05.07.2019 08.07.2019 10.07.2019 12.07.2019 14.07.2019 17.07.2019 18.07.2019 21.07.2019 23.07.2019 26.07.2019 29.07.2019 31.07.2019 01.08.2019 03.08.2019 06.08.2019 09.08.2019 12.08.2019 16.08.2019 22.08.2019 28.08.2019 03.09.2019 09.09.2019 15.09.2019 23.09.2019 30.09.2019 27.11.2019 04.12.2019 11.12.2019
215,0
205,0
80,00
50,00
40,00
До внесения
195,0
185,0
175,0
165,0
155,0
145,0
Спустя 6 месяцев работы модифицированного активного ила вода стала совершенно прозрачной: показатели мутности достигли нормы и превысили ее.
135,0
125,0
115,0
105,0
95,0
85,0
55,0
45,0
35,0
25,0
15,0
НОРМА
-5,0 5,0
До внесения
НИТРАТЫ
70,00
60,00
НОРМА
30,00
20,00
10,00
0,00
До внесения
НЕФТЕПРОДУКТЫ, ЖИРЫ, МАСЛА, СПАВ
46 20.05.2019 24.05.2019 28.06.2019 01.06.2019 05.06.2019 09.06.2019 12.06.2019 16.06.2019 20.06.2019 24.06.2019 26.06.2019 28.06.2019 30.06.2019 02.07.2019 04.07.2019 06.07.2019 08.07.2019 10.07.2019 12.07.2019 14.07.2019 16.07.2019 18.07.2019 20.07.2019 23.07.2019 27.07.2019 31.07.2019 04.08.2019
20.05.2019 21.05.2019 22.05.2019 23.05.2019 24.05.2019 25.05.2019 26.05.2019 27.05.2019 28.05.2019 29.05.2019 30.05.2019 31.05.2019 01.06.2019 02.06.2019 03.06.2019 04.06.2019 05.06.2019 06.06.2019 07.06.2019 08.06.2019 09.06.2019 11.06.2019 12.06.2019 13.06.2019 14.06.2019 15.06.2019 16.06.2019 17.06.2019 18.06.2019 20.06.2019 21.06.2019 22.06.2019 24.06.2019 25.06.2019 26.06.2019 27.06.2019 28.06.2019 30.06.2019 01.07.2019 02.07.2019 03.07.2019 04.07.2019 05.07.2019 07.07.2019 08.07.2019 10.07.2019 11.07.2019 12.07.2019 14.07.2019 16.07.2019 17.07.2019 18.07.2019 20.07.2019 22.07.2019 23.07.2019 25.07.2019 27.07.2019 29.07.2019 30.07.2019 31.07.2019 01.08.2019 02.08.2019 04.08.2019 06.08.2019 08.08.2019 10.08.2019 12.08.2019 14.08.2019 18.08.2019 22.08.2019 26.08.2019 30.08.2019 03.09.2019 07.09.2019 11.09.2019 15.09.2019 19.09.2019 25.09.2019 30.09.2019 04.10.2019 11.10.2019 18.10.2019 23.10.2019 28.10.2019 01.11.2019 08.11.2019 13.11.2019 18.11.2019 22.11.2019 27.11.2019 02.12.2019 06.12.2019 11.12.2019
БИОТЕХНОЛОГИИ
Рис 4. Динамика изменений в течении 6 мес. на БОС с. Высокая гора.
МУТНОСТЬ 320
300
75,0 120
65,0 100
20 0
До внесения
280
260
240
220
200
180
160
140
80
60
40
НОРМА
мг/л
Через 4 месяца после заселения очистных сооружений модифицированными бактериями начался экспоненциальный рост нитратов, что говорит об окончании переработки накопленных в предыдущие периоды солей аммония, традиционного загрязнителя. После завершения деструкции накопленных отложений переработке будут подвергаться только текущие объемы солей аммония, и показатели по нитратам придут в норму.
мг/л 10–3
Полугодичного цикла после внесения модифицированной биоты недостаточно, чтобы достичь нормы по нефтепродуктам, так как осуществляется переработка накопленных в течение нескольких лет загрязнений. Однако — за 6 месяцев работы удалось достичь заметного снижения объема загрязнений.
НОРМА
Январь-февраль 2020 The Chemical Journal
БИОТЕХНОЛОГИИ
БПК
мг О2/л
Биохимическое поглощение кислорода — основной показатель эффективности работы БОС — демонстрирует, сколько миллиграммов кислорода требуется и поглощается для окисления содержащейся в воде органики. Предельное снижение данного показателя означает, что в воде больше нет среды, которая нуждается в поглощении кислорода.
08.08.2019 12.08.2019 16.08.2019 20.08.2019 24.08.2019 30.08.2019 03.09.2019 07.09.2019 11.09.2019 15.09.2019 20.09.2019 25.09.2019 30.09.2019 04.10.2019 16.10.2019 21.10.2019 25.10.2019 30.10.2019 05.11.2019 11.11.2019 15.11.2019 22.11.2019 27.11.2019 02.12.2019 06.12.2019
БОС г. Иннополис. Станция биологической очистки.
Уровень БПК на очистных сооружениях в России согласно нормативу РД 52.24.420-2006 определяется скляночным методом — чрезвычайно затратным и сопряженным с различными рисками: количество реактивов — 20, средств измерения и устройств — 28, количество действий для анализа пробы — 21. В то же время, за рубежом эти измерения полностью автоматизированы. Китайский прибор с учетом термостата обходится в 3500 $, стоимость итальянских и германских решений — от 4300 $ до 5500 $. В «НПО Кинематика» разработан прибор — полный аналог зарубежных решений, с ценой 450 $. БОС Высокая гора. Аэротенк линии 1 и 2. На очистных сооружениях с аборигенной биотой повсеместно накоплены отвердевшие отложения. Процесс «захвата территории» модифицированными особями происходит постепенно. Первые 6–7 месяцев уходят на переработку накопленных загрязнений. БОС г. Лаишево. Аэротенки линии А и Б.
The Chemical Journal Январь-февраль 2020
47
БИОТЕХНОЛОГИИ ВХОД
ВЫХОД
В результате применения технологии на очистных сооружениях г. Лаишево качество воды резко повысилось, и вода, направляемая после очистных сооружений в реку, оказалась чище, чем «собственная» вода в реке.
на графике наблюдений резким скачком в улучшении показателей. Исследование популяции бактерий спустя полгода наблюдений показали, что их свойства не деградируют; напротив, в силу адаптации происходит дальнейшее улучшение показателей организмов. Анализ результатов доказал высокую эффективность новой технологии. Так, улучшение показателей было достигнуто по следующим видам базовых загрязнителей: • по БПК5 — в 6 раз, • по нефтепродуктам — в 4 раза, • по нитратам — в 30 раз, • по мутности — в 10 раз, • резко ускорились процессы нитрификации и денитрификации. Продолжающийся мониторинг показывает дальнейшую положительную динамику показателей на объектах. В водоемах впервые и в больших количествах появились коловратки. Продолжается процесс ликвидации накопленных отложений в очистных сооружениях. Важнейшим достижением разработки является то, что повторного внесения порций активного ила не требуется: внесенные активные «аборигенные» микроорганизмы не только полностью сохранили свою активность на длительном отрезке наблюдений, но и продолжают улучшать показатели, что авторы технологии связывают с процессом адаптации. Взятые пробы показали высокую температурную устойчивость до +20°С, соответственно — в зимний период очистные сооружения будут эффективно функционировать. Поставленные задачи по повышению качества биологической очистки сточных вод выполнены. Технология может быть масштабирована и распространена на значительном количестве 48
предприятий в схожих климатических условиях.
Городская канализация На основе анализа полученных результатов разработана технология применения микроорганизмов с восстановленным геномом для системного решения проблемы сточных вод в городах и мегаполисах. Предлагается размещать компактные блоки, заселенные микроорганиз-
текущим требованиям и требуют реконструкции. С одной стороны, чтобы повысить производительность биологической очистки, БОС устанавливают системы кипящего слоя и подобные, увеличивающие поток кислорода к аэробным бактериям или обмен в анаэробной среде. Этот тип модернизации связан со значетельными энергозатратами. С другой стороны, чтобы резко снизить объемы остатка, выходящего с БОС,
Главное достижение новой технологии — радикальное снижение затрат на строительство и реконструкцию биологических очистных сооружений. мами, в канализационных колодцах, менеджмент все чаще делает выбор расположенных на начальных участках в пользу термической переработки. Однако печь высокотемпературного городских канализационных сетей. Такое решение позволит превра- пиролиза и система очистки отходящих тить городскую канализационную сеть газов — достаточно дорогое решение, связанное к тому же с экологическими в идеальный биореактор. В результате применения нового ме- рисками.Обе проблемы решает новая технология. тода достигаются следующие цели: Не требуя ни капитальных, ни текущих — удаление запаха, — улучшение гидравлического ре- затрат на свою реализацию, она в 3–4 раза повышает производительность БОС без жима работы сети, — уменьшение числа засоров в сети, их перестройки, кратно улучшает показа— значительное снижение нагрузки тели качества воды и предельно снижает объемы неутилизируемого остатка. на очистные сооружения, — возврат очищенной воды в хозяйНовые применения ственный оборот, — в короткий срок, за 7–12 месяцев, полное решение проблемы очист- Разработчиками «НПО Кинематика» ведутся научно-исследовательские работы ки городских сточных вод. — радикальное снижение затрат на по направлениям: биовыщелачивание строительство и реконструкцию металлов из отвалов ГОКов, переработка пищевых и сельскохозяйственных БОС. промышленных отходов в корма с высоПреимущества технологии ким содержанием протеина, очистка загрязненных нефтепродуктами грунтов, С учетом роста нагрузки на БОС горо- восстановление естественного плододов, предприятий и одновременного родия земли, работа с жидкими радиоужесточения экологических стандар- активными отходами предприятий Ростов — сооружения не соответствуют атома и в ряде других отраслей. Январь-февраль 2020 The Chemical Journal