«МОНИТОРИНГ И СОКРАЩЕНИЕ УГЛЕРОДНОГО СЛЕДА РОССИЙСКИХ ВОДОКАНАЛОВ МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ УГЛЕРОДНОГО СЛЕДА СООРУЖЕНИЙ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД Бегак М. В., Гусева Т. В., Молчанова Я. П., Аверочкин Е. М., Сагайдук В. Л. Москва ...»

РОССИЙСКИЙ ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ Д. И. МЕНДЕЛЕЕВА

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ЦЕНТР ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ

БЕЗОПАСНОСТИ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК

ЭКОЛАЙН

МОНИТОРИНГ И СОКРАЩЕНИЕ УГЛЕРОДНОГО СЛЕДА

РОССИЙСКИХ ВОДОКАНАЛОВ

МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ УГЛЕРОДНОГО СЛЕДА

СООРУЖЕНИЙ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД

Бегак М. В., Гусева Т. В., Молчанова Я. П., Аверочкин Е. М., Сагайдук В. Л.

Москва 2013 При поддержке Фонда благосостояния Министерства иностранных дел Великобритании Санкт-Петербургский научно-исследовательский центр экологической безопасности РАН

МОНИТОРИНГ И СОКРАЩЕНИЕ УГЛЕРОДНОГО СЛЕДА

РОССИЙСКИХ ВОДОКАНАЛОВ

МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ УГЛЕРОДНОГО СЛЕДА

СООРУЖЕНИЙ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД

Бегак М. В., Гусева Т. В., Молчанова Я. П., Аверочкин Е. М., Сагайдук В. Л.

Москва УДК 628.551.588. ББК 28.08.2; 38.761. М Авторы: М. В. Бегак, Т. В. Гусева, Я. П. Молчанова, Е. М. Аверочкин, В. Л. Сагайдук М77 Мониторинг и сокращение углеродного следа российских водоканалов.

Методика определения углеродного следа сооружений очистки сточных вод.

М. В. Бегак, Т. В. Гусева, Я. П. Молчанова, Е. М. Аверочкин, В. Л. Сагайдук.

М.: Российский химико-технологический университет имени Д. И. Менделеева, 2013. 56 с.

ISBN 978-5-7237-1085- Методика определения углеродного следа канализационных очистных сооружений разработана в ходе выполнения проекта «Мониторинг и сокращение углеродного следа российских предприятий водоснабжения и водоотведения». Методика соответствует новым рекомендациям Межправительственной группы экспертов по изменению климата, содержит существенные уточнения в части определения специфических для предприятий водопроводно-канализационного хозяйства эмиссий метана и закиси азота в процессе очистки сточных вод и утилизации илового осадка.

В 2012-2013 гг. методика апробирована при проведении оценки углеродного следа канализационных очистных сооружений ГУП «Водоканал Санкт-Петербурга».

Предлагаемый вниманию читателей материал может применяться на практике при расчёте выбросов парниковых газов предприятий водоотведения, а также может быть использован в процессе преподавания специальных дисциплин и выполнения студенческих дипломных работ.

УДК 628.551.588. ББК 28.08.2; 38.761. ISBN 978-5-7237-1085-6 Российский химико-технологический университет имени Д. И. Менделеева, М. В. Бегак, Т. В. Гусева, Я. П. Молчанова, Е. М. Аверочкин, В. Л. Сагайдук, Содержание К читателю

Список используемых сокращений

1. Введение

2. Углеродный след очистных сооружений

2.1 Методологии определения выбросов парниковых газов, рекомендованные Рамочной конвенцией ООН по изменению климата

2.1.1 Определение выбросов метана

2.1.2 Определение выбросов закиси азота при размещении осадка

2.1.3 Определение выбросов парниковых газов, связанных с производством электроэнергии

2.1.4 Определение выбросов парниковых газов, связанных с потреблением топлива. 2.1.5 Определение выбросов парниковых газов, связанных с приобретением тепла внешних источников

2.1.6 Определение выбросов парниковых газов, связанных с перевозкой илового осадка

2.2 Выделение закиси азота в процессе очистки сточных вод

2.3 Уточнения методологий МГЭИК

3. Пошаговый расчет углеродного следа очистных сооружений

Шаг 1. Углеродный след, обусловленный импортируемой электроэнергией, потребляемой на производственной площадке и в офисных помещениях

Шаг 2. Углеродный след, обусловленный потреблением тепловой энергии

Шаг 2.1. Тепло генерируется непосредственно на производственной площадке................ Шаг 2.2. Тепло приобретается у отдельного источника

Шаг 3. Углеродный след, обусловленный использованием автомобильного транспорта...... Шаг 4. Углеродный след, обусловленный выбросами метана при очистке сточных вод........ Шаг 4.1. Первичные отстойники

Шаг 4.2. Аэробная очистка

Шаг 4.3. Упрощенный вариант расчета выбросов метана при очистке сточных вод на биологических очистных сооружениях

Шаг 5. Углеродный след, обусловленный выбросами парниковых газов при утилизации осадка сточных вод

Шаг 5.1. Сжигание илового осадка

Шаг 5.2. Размещение осадка на полигоне или иловой площадке

Шаг 5.3. Обработка илового осадка в новом метантенке

Шаг 5.4. Выбросы закиси азота при захоронении сырого осадка в почве или его размещении на полигоне

Шаг 6. Углеродный след, обусловленный выбросами закиси азота в процессе очистки сточных вод

Шаг 7. Углеродный след, обусловленный выбросами метана при попадании в водный объект недостаточно очищенных сточных вод

Шаг 8. Углеродный след, обусловленный использованием реагентов и расходных материалов при очистке сточных вод

4. Мониторинг параметров, необходимых для расчета углеродного следа очистных сооружений

4.1 Энергетика

4.2 Транспорт

4.3 Процесс очистки сточных вод

4.4 Утилизация илового осадка

5. Заключение. Рекомендации.

К читателю Методика определения углеродного следа канализационных очистных сооружений подготовлена в рамках работы над проектом «Мониторинг и сокращение углеродного следа российских предприятий водоснабжения и водоотведения». Проект выполнен в 2012-2013 гг. силами АНО «Эколайн» и ФГБУ науки Санкт-Петербургского научно-исследовательского центра экологической безопасности РАН при поддержке Министерства иностранных дел Великобритании в рамках программы Фонда благосостояния.

Партнёры проекта – ГУП «Водоканал Санкт-Петербурга» и Российская ассоциация водоснабжения и водоотведения.

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 и ряда фторсодержащих соединений.

Сооружения очистки сточных вод, по сути своей, являются природоохранными предприятиями.

Их основная задача — «вытирать» экологические следы своих абонентов, снижая воздействие последних на окружающую среду. Но эффективность очистки сточных вод в плане энергетических затрат на проведение процесса, технологии очистки, транспортировки илового осадка может быть предметом исследования. Результатом такого исследования явится величина углеродного следа как интегральная мера эффективности очистки сточных вод.

Разработанная методика определения углеродного следа очистных сооружений соответствует новым рекомендациям Межправительственной группы экспертов по изменению климата, содержит существенные уточнения в части определения специфических для предприятий водоотведения эмиссий метана и закиси азота в процессе очистки сточных вод и утилизации илового осадка.

Методика разработана в сотрудничестве с партнёрами проекта и представлена коллегам из профильных высших учебных заведений и научно-исследовательских институтов. В обсуждении материала активное участие приняли следующие специалисты:

О. Н. Рублевская, заместитель директора по развитию филиала «Инженерноинновационный центр» ГУП «Водоканал Санкт-Петербурга»;

Т. В. Передня, директор Департамента природопользования ГУП «Водоканал СанктПетербурга»;

И. В. Алексеева, заместитель директора Департамента природопользования ГУП «Водоканал Санкт-Петербурга»;

кандидат технических наук Д. А. Данилович, заместитель директора Российской ассоциации водоснабжения и водоотведения;

доктор технических наук, профессор В. И. Панфилов, заведующий кафедрой промышленной биотехнологии Российского химико-технологического университета имени Д. И. Менделеева;

доктор технических наук, профессор И. И. Павлинова, заведующая кафедрой коммунального и промышленного водопользования Московской государственной академии коммунального хозяйства и строительства;

доктор технических наук, профессор В. И. Баженов, профессор кафедры коммунального и промышленного водопользования Московской государственной академии коммунального хозяйства и строительства;

доктор технических наук, профессор Е. В. Алексеев, заведующий кафедрой «Водоотведение и водная экология» Московского государственного строительного университета;

доктор биологических наук, профессор А. А. Денисов, заведующий отделом производственной санитарии и охраны окружающей среды ГНУ «Всероссийский научно-исследовательский и технологический институт биологической промышленности» Российской академии сельскохозяйственных наук;

доктор биологических наук, профессор Н. С. Жмур, заместитель директора ООО «АКВАРОС»;

доктор физико-математических наук, профессор, Е. В. Веницианов, заведующий лабораторией качества вод Института водных проблем Российской академии наук.

Исполнители проекта благодарны руководителям и сотрудникам Департамента государственной политики и регулирования в сфере нормирования негативного воздействия и мониторинга окружающей среды Министерства природных ресурсов и экологии РФ, Департамента природопользования и охраны окружающей среды и ОАО «Мосводоканал» за поддержку и ценные рекомендации.

Большой вклад в выполнение проекта внесли российские и зарубежные эксперты консультационных компаний ООО «Мотт Макдональд – Р», ООО «Эковод» и LLC «Pyry».

Исполнители проекта искренне признательны всем, кто поддержал разработку методики, принял участие в семинарах, полевых исследованиях, сборе и анализе информации.

В 2012–2013 гг. методика апробирована при проведении оценки углеродного следа канализационных очистных сооружений ГУП «Водоканал Санкт-Петербурга».

Предлагаемый вниманию читателей материал может применяться на практике при расчёте выбросов парниковых газов предприятий водоотведения, а также может быть использован в процессе преподавания специальных дисциплин и выполнения студенческих дипломных работ.

Список используемых сокращений БПК биологическое потребление кислорода КОС коммунальные очистные сооружения МГЭИК Межправительственная группа экспертов по изменению климата ПГ парниковые газы ТБО твердые бытовые отходы ТЭЦ теплоэлектроцентраль ХПК химическое потребление кислорода 1. Введение Движение человечества на пути устойчивого развития является невозможным без наличия некого компаса, показывающего верное направление. Таким компасом является система индикаторов устойчивого развития.

Впервые необходимость разработки индикаторов устойчивого развития была отмечена в «Повестке дня на 21 век», которая была принята на Конференции ООН по окружающей среде и развитию в Рио-де-Жанейро (1992 г.). С тех пор разработка показателей идет двумя путями:

1. Путем построения систем индикаторов – т.е. групп показателей, характеризующих экологическое, экономическое и социальное развитие.

2. Путем формирования интегральных показателей, комплексно оценивающих ситуацию в определенном районе, отрасли и т.д.

Так называемые «следы» – экологический и углеродный – это примеры интегральных показателей; индикатор «экологический след» был разработан в 1995 году на основе концепции об ассимиляционной емкости биосферы.

Идея использовать индикатор, в основе которого лежит площадь территории, сама по себе не нова. Одним из первых европейских учёных, применявших данный подход, считается французский историк Фернан Бродэль (1902–1985), который использовал площадь территорий в качестве показателя торговли, потребления и производства сельскохозяйственной продукции, поскольку считал, что гектар – намного более точный показатель экономической активности, чем постоянно меняющая курс единица валюты.

Многих современных экологов-экономистов гектар привлекает по сходным причинам – он обеспечивает подходящую «валюту» для оценки воздействия на окружающую среду и является хорошей мерой определения устойчивости.

Современный подход к оценке уровня потребления населения, выраженной в единицах площади, т.е. концепция экологического следа, был предложен в 1996 г. У. Рисом (W. Rees) и М. Вакернагелем (M. Wackernagel) 1.

Согласно данной концепции экологический след представляет собой общую площадь продуктивных территорий суши и водных ресурсов, необходимую для производства зерновых культур, морепродуктов, мяса, древесины, обеспечения энергией, предоставления пространства для размещения инфраструктуры и т.п. Индикатор позволяет рассчитать, сколько ресурсов способна дать Земля без ущерба для себя (в пределах биологической емкости) и сколько ресурсов в действительности потребляют люди (собственно экологический след). Биологическая емкость и экологический след измеряются в глобальных гектарах (гга) 2.

Экологический след включает в себя 6 компонентов: растениеводческий, животноводческий, лесной, рыбный, энергетический (углеродный) и строительный следы.

Углеродный след – это совокупность выбросов парниковых газов, произведенных прямо и косвенно человеком, организацией, регионом, связанных с осуществлением какой-либо деятельности, предоставлением услуги, производством продукции или даже ее жизненным циклом в целом. Оценить углеродный след можно, рассчитав выбросы парниковых газов и прежде всего диоксида углерода, метана, закиси азота и ряда фторсодержащих соединений.

Wackernagel, Mathis, and William Rees. 1996. Our Ecological Footprint: Reducing Human Impact on the Earth. Gabriola Island, British Columbia: New Society Publishers.

2 Глобальный гектар (гга): один гектар биопродуктивной территории или морской акватории со среднемировой продуктивностью.

Каким образом определяется экологический след применительно к предприятиям водоснабжения и водоотведения и, конкретно, к сооружениям очистки сточных вод (канализационным очистным сооружениям)?

В том случае, когда мы рассматриваем эксплуатацию очистных сооружений, нетрудно понять, что экологический след сводится к углеродному. Действительно, сооружения очистки сточных вод, по сути своей, являются природоохранными предприятиями. Их основная задача – «вытирать» экологические следы своих абонентов, снижая воздействие последних на окружающую среду. Но эффективность очистки сточных вод в плане энергетических затрат на проведение процесса, технологии очистки, транспортировки илового осадка может быть предметом исследования. Результатом такого исследования явится величина углеродного следа в качестве интегральной меры эффективности очистки сточных вод конкретных коммунальных очистных сооружений.

В целом процесс определения углеродного следа включает в себя следующие этапы:

1. Определение временных и пространственных границ оценки (период оценки, этапы производства).

2. Анализ имеющихся данных и составление всей цепочки этапов жизненного цикла. Необходимо оценить достаточно ли данных для оценки каждого этапа жизненного цикла или возможна оценка только на входе и выходе.

3. Определение существующих правил оценки, характерных для данного производственного процесса, отрасли и т.д.

4. Поиск информации о каждом отдельном технологическом процессе (информация о потребляемых ресурсах, в том числе энергетических, собственном производстве энергии, отходов и т.д.).

5. Верификация.

2. Углеродный след очистных сооружений Определение углеродного следа любого предприятия, как было впервые предложено в работе Института мировых ресурсов 3, может производиться в нескольких приближениях, различающихся масштабами охвата процессов.

Приближение 1.

Подсчет выбросов парниковых газов ограничивается только производственной площадкой предприятия. Это могут быть непосредственные выбросы из труб (организованных источников выбросов) вследствие сжигания ископаемого топлива и выбросы неорганизованные (фугитивные), также являющееся следствием происходящих на площадке процессов (например, утечка хладонов из холодильников или кондиционеров).

Приближение 2.

В этом случае учитывается вся электрическая и тепловая энергия, потребленная на промышленной площадке. Поскольку, как правило, электричество поставляется из сетей централизованно, в данном приближении выбросы парниковых газов определяются путем умножения величины потребленной энергии на некоторый национальный коэффициент, определяющий выбросы парниковых газов в CO2-эквиваленте на единицу (киловатт-час) потребленной электроэнергии.

Приближение 3.

Учитываются выбросы парниковых газов вне производственной площадки, не связанные с генерацией энергии, потребляемой рассматриваемым предприятием. Например, это выбросы ПГ от используемого предприятием транспорта, включая общественный и личный транспорт, занятый перевозками работников. Могут также быть учтены выбросы, обусловленные производством материалов, применяемых анализируемым предприятием. Так, для строительной компании, например, могут быть учтены выбросы, сопровождающие выпуск цемента и кирпича, используемого при возведении зданий и сооружений. Однако в ряде методик считается, что такой учет избыточен для инвентаризации парниковых газов, поскольку он может приводить к двойному учету одних и тех же выбросов в общем балансе по стране.

Для коммунальных очистных сооружений приближение 1 включает:

выбросы парниковых газов в процессе очистки сточных вод;

выбросы от использования покупаемого топлива для поддержания процесса очистки;

выбросы от транспортных операций в пределах производственной площадки.

К неорганизованным (фугитивным) выбросам парниковых газов относятся:

выбросы метана (CH4) вследствие анаэробных процессов в первичных отстойниках;

выбросы закиси азота (N2O) вследствие процессов нитрификации и денитрификации;

выбросы метана в процессах сбраживания и компостирования осадка, передачи газа по трубам, компостирования, размещения на иловых площадках и полигонах.

В приближении 2 учитываются выбросы парниковых газов при производстве покупаемой предприятием электроэнергии (она расходуется на перекачивание сточных вод, аэрацию, освещение производственных помещений и площадки, ультрафиолетовое обеззараживание), а также сопряжённые с производством энергии, расходуемой в форме тепла, пара, холода и т.д.

World Resources Institute (2001) The greenhouse gas protocol: A Corporate Accounting and Reporting Standard. World Business Council for Sustainable Development. The Hague p. 27.

В приближении 3 учитываются все выбросы парниковых газов, не учтенные в приближениях и 2, но связанные с производственным процессом. Это, в первую очередь, транспортировка персонала (личный и общественный транспорт), а также доставка необходимых для очистки сточных вод расходных материалов (химические реагенты, запчасти). В ряде моделей учитываются также выбросы парниковых газов при производстве реагентов. В данном случае важно правильно выбрать «место учета», чтобы не было двойного счета. Так, если соли металлов (железа или алюминия) используются для удаления фосфора из сточных вод, то выбросы парниковых газов при их производстве должны быть учтены в углеродном следе КОС. Аналогичная ситуация возникает и с другими реагентами (метанолом, флокулянтами).

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.

Рис. 1 – Выделение парниковых газов при биологической очистке сточных вод 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 МГЭИК, проходят обсуждения на сайте Рамочной конвенции ООН по изменению климата 4. В частности, там рассматриваются выбросы ПГ, сопровождающие процессы очистки сточных вод. Представленные методологии регулярно обновляются и корректируются. В настоящее время используются следующие документы: «AMS-III.H. Methane recovery in wastewater treatment — Version 16.0» 5 и «Approved baseline and monitoring methodology AM0080. «Mitigation of greenhouse gases emissions with treatment of wastewater in aerobic wastewater treatment plants» — Version 1.0» 6.

На рисунке 1 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.

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.

2.1 Методологии определения выбросов парниковых газов, рекомендованные Рамочной конвенцией ООН по изменению климата 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 приведены основные источники учитываемых выбросов парниковых газов.

http://unfccc.int/2860.php AMS-III.H. Methane recovery in wastewater treatment — Version 16. http://cdm.unfccc.int/methodologies/DB/4ND00PCGC7WXR3L0LOJTS6SVZP4NSU 6 Approved baseline and monitoring methodology AM0080. «Mitigation of greenhouse gases emissions with treatment of wastewater in aerobic wastewater treatment plants» — Version 1. http://cdm.unfccc.int/methodologies/DB/6DITU9V0SFOR7EUYEBBVRHCAO2RD3Q Таблица 1 – Источники выбросов парниковых газов, включаемые при определении общего выброса ПГ от КОС Очистка сточной CH4 Да Главный источник выбросов.

воды и перера- N2O Да Главным образом в процессах нитрификации и денитрификации.

Генерация элек- CO2 Да Выбросы, связанные с производством электрической и тепловой энертрической и теп- гии происходят от:

ловой энергии а) покупаемой электрической и тепловой энергии, используемой для В том случае, если часть электрической и тепловой энергии производится при сжигании осадка или использовании биогаза, эта часть при Транспортировка CO2 Да Выбросы от транспортировки осадка включаются.

илового осадка CH4 Нет Для простоты исключено. Этот источник выбросов предполагается Использование CO2 Да Выбросы от транспортных услуг могут включаться.

транспорта для CH4 Нет Для простоты исключено. Этот источник выбросов предполагается реагентов CH4 Нет Для простоты исключено. Хотя, в ряде случаев, следует анализировать Сброс сточных CO2 Нет Выбросы CO2 от разложения органического вещества не учитываются.

вод в водный CH4 Да Может учитываться, если степень очистки от органических веществ не стки N2O Нет Для простоты исключено. Этот источник выбросов предполагается 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 (приближение 3) выбросы от личного и общественного транспорта, перевозящего работников предприятия и углеродные следы химических реагентов, использующихся при очистке сточных вод.

2.1.1 Определение выбросов метана Метан, с позиции вклада в парниковый эффект, является довольно эффективным газом. Его потенциал глобального потепления – степень воздействия на глобальное потепление по отношению к углекислому газу – равен 25. Это современное значение, уточненное в исследованиях МГЭИК 7, учитывает воздействие парникового эффекта в течение 100 лет.

Доля метана в общих выбросах парниковых газов при очистке сточных вод и обработке осадка может составлять до 75 % в CO2-экв. 8 Поскольку метан генерируется при анаэробном разложении органических вещества, его выбросы, как правило, связываются с параметрами органического загрязнения сточных вод: БПК или ХПК. Если говорить об основных источниках метана, в первую очередь, следует упомянуть анаэробные реакторы различных конструкций. В российской практике на предприятиях водоотведения анаэробные реакторы не используются. В ограниченных объемах используются лишь метантенки. На врезке 1 иллюстрируются химические и микробиологические процессы, протекающие в анаэробном реакторе.

Врезка 1.

Анаэробные реакторы используются для предварительной очистки промышленных сточных вод с большим содержанием органических вещества и муниципальных сточных вод. После анаэробных реакторов БПК может быть снижено на 60 %, в том случае, если температура сточных вод составляет 20–25 оС, а время гидравлического удерживания сточных вод в реакторе не менее 1–2 суток.

Анаэробные микроорганизмы в отсутствие растворенного кислорода переводят органическое вещество в углекислый газ и метан. Процесс разложения включает две связанных между собой фазы: образование кислот и метана. В течение «кислотной» фазы бактерии преобразуют сложные органические вещества (углеводы, жиры, протеины) в более простые. Этими веществами являются летучие органические кислоты: уксусная, пропионовая, молочная. Следующей фазой является образование метана. Первоначально бактерии переводят органические кислоты в ацетат, водород и углекислый газ. Далее, образование метана с участием метаногенных микроорганизмов идет двумя путями:

1. Разложение уксусной кислоты с образованием метана и углекислого газа 2. Восстановление углекислого газа водородом с образованием метана Образование метана в анаэробных реакторах может происходить в достаточно узком диапазоне внешних условий, основными из которых являются температура и кислотность среды (pH).

Такие же микробиологические процессы, как описано выше, протекают в метантенках для сбраживания ила. Различие состоит в том, что в метантенках концентрация взвешенных веществ во много раз выше, чем в анаэробных реакторах.

Возможно возникновение анаэробных процессов и загнивание осадка в первичных отстойниках. Это происходит в тех случаях, когда первичный сырой осадок не выгружается вовремя.

Новые методики МГЭИК предлагают рассчитывать выбросы метана при очистке сточных вод в анаэробных условиях с использованием т.н. «метода множителя конверсии метана» по соотношению:

7 Changes in Atmospheric Constituents and in Radiative Forcing. In: Climate Change 2007: The Physical Science Basis.

Contribution of Working Group I to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change http://www.ipcc.ch/pdf/assessment-report/ar4/wg1/ar4-wg1-chapter2.pdf 8 Foley, J., Lant, P., 2007. Fugitive Greenhouse Gas Emissions from Wastewater Systems. WSAA Literature Review No.01.

Water Services Association of Australia, Melbourne and Sydney, Australia.

4,,, — годовые выбросы метана при анаэробной очистке сточных вод в тоннах CO2где, — объем сточных вод, (м3) проходящих через анаэробную часть очистных сооружений за экв.;

, — изменение ХПК в сточной воде в анаэробных процессах за год (т/м3);

определенный промежуток времени (год);

— среднегодовой коэффициент конверсии для метана, показывающий часть органического вещества, которая будет преобразована в метан. Зависит, в том числе, от конструкции — удельный выход метана при распаде ХПК в сточной воде. То есть величина, показыочистных сооружений. Для малых очистных сооружений может быть использована таблица 2;

вающая, какое максимальное количество метана будет образовано при заданном уменьшении 4 — потенциал глобального потепления для метана.

ХПК (кг CH4/кг ХПК);

ния,. Для определения этой величины кроме величины ХПК сточной воды на входе в Отметим, что для конкретных расчетов принципиально важным является определение значеочистные сооружения необходимо знать величину ХПК после первичных отстойников. Чем большая доля ХПК расходуется в анаэробных условиях первичного отстойника, тем больше будут выбросы метана. Как будет показано ниже, при правильно организованном процессе на стадии аэробной очистки в аэротенках, выбросы метана будут незначительными.

Определение величины Количество метана, образовавшегося в открытом отстойнике, зависит от его глубины и темпеопределяется как произведение двух параметров:, определяющего зависимость интенсивратуры сточных вод в отстойнике. Поэтому среднегодовой множитель конверсии для метана ности образования метана от глубины, и,, определяющего температурную зависимость интенсивности образования метана. Таким образом, Для коэффициента методология МГЭИК рекомендует следующие значения: при глубине отстойника более 5 м величина принимается равной 0,7, при глубине от 1 до 5 м — = 0,5, при глубине менее 1 м — = 0. чение года, множитель, должен вычисляться как интеграл от ежемесячных значений темПоскольку во многих регионах температура сточной воды может значительно изменяться в тепературного коэффициента, и с учетом того, как много кислорода было потрачено в этом месяце на разложение органических веществ. Таким образом,, — среднегодовой коэффициент, определяющий интенсивность образования метана от где температуры;

Ряд российских экспертов считают, что зависимость интенсивности образования метана от глубины является весьма сомнительной. На практике глубина отстойников предприятий водоотведения составляет не менее 2,5 м.

, — среднемесячный коэффициент;

, — изменение ХПК в сточной воде в анаэробных процессах за месяц (т/мес.).

Величина среднемесячного коэффициента, определяющего интенсивность образования метана в зависимости от температуры, определяется с помощью уравнения Аррениуса, которое усесли < танавливает зависимость константы скорости химической реакции от температуры:

, = 1, если >, — среднемесячный коэффициент, определяющий интенсивность образования метана от где — константа энергии активации (63,533 Дж/моль);

температуры сточной воды в анаэробной зоне;

1 — 303,16 K (273,16 K +30 K);

—газовая постоянная (8,314 Дж/К*моль);

— средняя температура сточной воды в анаэробной зоне (K).

отношением = ° + 273,15.

Напомним, что температура в кельвинах (T) и температура в градусах Цельсия (t°C) связаны соКак видно из уравнения (6), величина температурного коэффициента не может превышать 1, а Для упрощенных расчетов можно принимать значения из таблицы 2.

при температуре ниже 10 оС – принимается равной нулю.

Таблица 2 – Значения коэффициентов конверсии метана в зависимости от конструкции очистных сооружений Тип очистных сооружений Сброс сточных вод без очистки в водный объект Хорошо организованная аэробная очистка Плохо организованная или перегруженная аэробная очистка Анаэробное сбраживание осадка без утилизации метана Анаэробный реактор без утилизации метана Мелкий анаэробный отстойник (глубина менее 2 метров) Глубокий анаэробный отстойник (глубина более 2 метров) IPCC Guidelines for National Greenhouse Gas Inventories (2006). Volume 5, chapter 6 “Wastewater Treatment and Discharge” http://www.ipcc-nggip.iges.or.jp/public/2006gl/index.html.

11 Ряд российских экспертов считают это значение завышенным и полагают, что величина коэффициента конверсии здесь не превышает 0,15.

Определение величины Важным параметром является величина – удельный выход метана при распаде ХПК в сточной воде. Эксперты МГЭИК рекомендуют значение этого параметра равным 0,25 кг CH4/кг ХПК 12. В работах 13,14 приведено теоретическое обоснование величины удельной мощности образования метана (врезка 2).

Врезка 2.

Рассмотрена реакция превращения глюкозы в углекислый газ и метан:

Для полного окисления образовавшегося метана требуется 6 молекул кислорода:

Таким образом, учитывая молярные массы одной молекулы глюкозы (6*12 + 12 + 6*16 = 180 г/моль) и требуемых для ее биохимического окисления шести молекул кислорода (192 г/моль) получаем, что химическая потребность в кислороде (в данном случае по величине совпадающая с биохимической потребностью в кислороде) для одного грамма глюкозы составляет:

Доля метана в этом процессе составляет:

Поэтому доля метана на 1 г ХПК составляет:

Такое же соотношение получается из уравнения (2), исходя из стехиометрии окислительно-восстановительной реакции.

Выделение метана при обработке осадка Осадок очистных сооружений содержит значительную долю органических веществ, поэтому при их разложении в анаэробных условиях метан будет также выделяться. Количество выдеплощадке или полигоне, то для определения выбросов метана из осадка за год (4,,, ) в ляемого метана зависит от способа обработки осадка. Если осадок размещается на иловой методике МГЭИК используется следующее уравнение:

4,,, — выбросы метана при разложении осадка (т CO2-экв./год);

где В том случае, если измерение ХПК не проводится, методология МГЭИК предлагает использовать соотношение 0,6 кг CH4/кг БПК, не делая различий между БПК5 (за 5 суток) и БПК20 (за 20 суток). Это предполагает отношение ХПК/БПК = 1,5. По нашему мнению, следует использовать экспериментально измеренные значения отношений ХПК/БПК. По данным ГУП «Водоканал Санкт-Петербурга» отношение ХПК/БПК5 в общесплавных сточных водах, поступающих на КОС, изменяется в диапазоне от 1,5 до 3. Средним значением для хозяйственно-бытовых сточных вод можно считать ХПК/БПК5 = 2,1.

13 Crites, R., and Tchobanoglous, G., 1998. Small and Decentralized Wastewater Management Systems. WCB McGraw-Hill, Boston.

14 Direct Methane and Nitrous Oxide emissions from full-scale wastewater treatment systems, Occasional Paper N 24, October 2009. Water Services Association of Australia.

,, — масса сухого вещества в осадке (т/год);

— коэффициент конверсии метана, зависящий от условий размещения осадка;

, — разлагаемая органическая часть сухого осадка, размещенного в течение года. Рекомендованные МГЭИК значения составляют: 0,5 для илового осадка хозяйственно-бытовых сточных вод и 0,257 для промышленных сточных вод. Для конкретных очистных сооружений — доля разлагаемого органического вещества, превращенного в биогаз. Рекомендованэти данные могут быть уточнены;

— доля метана в биогазе. Рекомендованное МГЭИК значение составляет 0,5. Фактически, по ное МГЭИК значение составляет 0,5;

данным 15, доля метана в биогазе выше и составляет 0,6–0,75;

4 — потенциал глобального потепления для метана.

— соотношение молярных масс метана и углерода;

Если осадок очистных сооружений подсушивается при контролируемых аэробных условиях и затем размещается на полигоне с утилизацией выделяющегося метана, или используется для удобрения и улучшения состава почвы, то соответствующие выбросы метана считаются пренебрежимо малыми и для такой схемы обработки осадка принимаются Рекомендуемые методикой МГЭИК величины коэффициента конверсии метана, зависящие от условий размещения осадка, приведены в таблице 3.

Таблица 3 – Значения величины коэффициента конверсии метана в зависимости от условий размещения илового осадка Анаэробные контролируемые полигоны для размещения твердых отходов. В данном случае существенным является контролируемое размещение осадка на полигоне с регулированием вымывания и пожаров. Такой полигон должен обладать одним из следующих признаков: покрытие грунтом или иным инертным материалом, механическое уплотнение, выравнивание отходов.

Полу-анаэробные контролируемые полигоны для размещения твердых отходов. Это также контролируемое размещение осадка на полигоне. Такой полигон должен обладать одним из следующих признаков: покрытие проницаемым материалом, система дренажа фильтрата, регулируемая вместимость, система вентиляции свалочных газов.

Неконтролируемые полигоны для размещения твердых отходов (глубокие и/или с высоким уровнем грунтовых вод). Это относится к таким полигонам, которые не отвечают приведенным выше критериям контролируемых полигонов и имеют глубину более 5 м и/или высокий уровень грунтовых вод. Например, это относится к случаям, когда отходами заполняют обводненный карьер, пруд или болото.

Неконтролируемые полигоны для размещения твердых отходов. Это относится ко всем остальным полигонам, которые не отвечают приведенным выше критериям контролируемых полигонов и имеют глубину менее 5 м. К этой категории относятся также иловые площадки с естественным и искусственным основанием.

Неглубокие полигоны для размещения твердых отходов. Это относится ко всем полигонам, не попадающим в перечисленные категории.

Определение выбросов метана в случае обработки осадка в новом метантенке В случае обработке осадка в метантенке и последующего сжигания биогаза для получения тепловой или электрической энергии возможными источниками метана являются утечки последнего из метантенка и трубопроводов, а также неполное сгорание метана. Последним фактором Очистка сточных вод: Пер. с англ. / Хенце М., Армоэс П., Ля-Кур-Янсет Й., Арван Э. — М., Мир, 2006 — 480 с., илл.

обычно пренебрегают. Для определения парникового эффекта вследствие утечек метана из метантенка в методике МГЭИК предлагается следующее уравнение:

4,,, — выбросы метана вследствие утечек из метантенка (т CO2-экв./год);

где, — количество биогаза, собранное на выходе из метантенка в год (м3);

, — доля биогаза, который уходит в атмосферу из метантенка. МГЭИК рекомендуконцентрация метана в биогазе на выходе из метантенка (кг CH4/м3);

ет величину, равную 0,05 м3 биогаза, уходящего в атмосферу на 1 м3 произведенного биогаза;

4 — потенциал глобального потепления для метана;

0,001 — коэффициент пересчета тонн в килограммы.

На врезке 3 показан альтернативный вариант расчета.

Врезка 3.

Расчеты по уравнению (12) производить не всегда удобно, поскольку практическое определение концентрации метана в биогазе на выходе из метантенка является сложным. Предложим новое уравнение для определения парникового эффекта вследствие утечек метана из метантенка.

Предположим, что биогаз состоит исключительно из метана и углекислого газа, пренебрегая, тем самым, незначительными примесями водорода и сероводорода. Тогда состав биогаза может быть представлен как:

— массовая доля метана в биогазе, которая, как указано выше, может изменяться от 0,6 до 0,75.

где Плотность метана при нормальных условиях составляет 0,7168 кг/м3. Плотность углекислого газа при тех же условиях равна 1,9768 кг/м3.

Отсюда, используя уравнение 12 a, получаем для плотности биогаза:

= 0,7168 + (1 ) 1,9768 = (1,9768 1,26 ) Тогда, после округлений, для определения парникового эффекта вследствие утечек метана из метантенка можно применить уравнение:

4,,, — выбросы метана вследствие утечек из метантенка (т CO2-э/год);

где, — количество биогаза, собранное на выходе из метантенка в год (м3/год);

, — доля биогаза, который поступает в атмосферу из метантенка. МГЭИК рекомендует величину, равплотность биогаза (кг/м3);

ную 0,05 м3 биогаза, уходящего в атмосферу, на 1 м3 произведенного биогаза;

— массовая доля метана в биогазе;

4 — потенциал глобального потепления для метана;

0,001 — коэффициент пересчета килограммов в тонны.

Аэробная очистка Выделение метана в зонах аэробной очистки происходить не должно. Однако в условиях перегруженности очистных сооружений или плохого управления процессом могут появляться области дефицита кислорода, где может происходить загнивание ила с выделением метана.

Кроме того, в очищенной сточной воде, которая поступает в принимающий водный объект, содержатся остаточные концентрации органических веществ. Эти органические вещества могут, в зависимости от свойств водного объекта, подвергаться анаэробному загниванию с выделением метана.

В зоне аэробной очистки выбросы метана вследствие перегруженности очистных сооружений или плохого управления процессом могут быть определены по следующему уравнению.

4,,, = 0, если 0, 4,,, — выбросы метана вследствие перегруженности очистных сооружений или плохогде, — изменение ХПК в сточной воде в аэробных процессах в течение i-того дня года го управления процессом (т CO2-экв./год);

(т/м3). Фактически, это разница между величиной ХПК в начале аэробной зоны очистки и велиобъем сточных вод, проходящий через аэробную часть очистных сооружений в течение чиной ХПК на сбросе в принимающий водный объект сточных вод в течение одного дня;

— удельный выход метана при распаде ХПК в сточной воде. Как показано выше, эта велиi-того дня года (м3);

, — коэффициент конверсии для метана, показывающий долю органического вещества, чина составляет 0,25 кг CH4/кг ХПК;

которая будет преобразована в метан. Для перегруженных и плохо управляемых очистных сооружений, в соответствии с таблицей 2, принимается коэффициент равный 0,3. Как уже указыпотенциал глобального потепления для метана;

валось выше, по мнению российских экспертов, эта величина существенно завышена;

— эффективность очистки по ХПК — соотношение между величиной окисленного органического вещества в аэробной зоне и количеством органического вещества, поступившим в аэробную зону в течение i-того дня год.

То есть, Задание величины, Хотя аэробные станции по очистке сточных вод проектируются, как правило, так, чтобы избежать загнивания ила и образования метана, МГЭИК рассматривает ряд факторов, которые мона аэробной станции. МГЭИК рекомендует выбор значения величины, на аэробных гут привести к образованию анаэробных участков и, следовательно, к выбросам метана даже станциях в диапазоне от 0 до 0,4 в зависимости от условий работы станции. Подобные условия (конструктивные и операционные) рассмотрены во врезке 4.

Врезка 4.

При проектировании КОС таким образом, чтобы сточные воды двигались, по возможности самотеком, необходимо обеспечить достаточные скорости потока и не допустить образования «мертвых зон» в отстойниках, аэротенках, осветлителях сточных вод.

Следует организовать регулярное удаление сырого ила из первичных отстойников, чтобы избежать его загнивания.

На установках с активным илом или биофильтрами следует организовать движение осадка таким образом, чтобы не создавалось пробок, ведущих к застреванию ила внутри сооружения. Это же относится к засорению биофильтров. Недостаток перемешивания в местах скопления осадка приводит к образованию анаэробных зон и выделению метана.

Перегруженность КОС ведет к ухудшению гидравлических условий, уменьшению времени гидравлического удержания сточных вод. Это, в свою очередь приводит к недостаточной эффективности очистки. Значительные вариации в интенсивности потока, проходящего через очистные сооружения, усугубляют проблему.

Недостаток растворенного кислорода в аэротенках может также привести к загниванию осадка.

Вспучивание активного ила и образование хлопьев может привести к микроанаэробным условиям внутри хлопьев и вызвать выделение метана. Чтобы избежать этого, иногда прибегают к химическим добавкам.

ента конверсии метана, = 0 (диапазон изменения от 0 до 0,1). Для тех сооружений, Резюмируя, отметим, что для хорошо работающих очистных сооружений величина коэффицичина, принимается равной 0,3. (Диапазон изменения от 0 до 0,4). Признаком неудовкоторые иногда работают с перегрузкой, или имеют другие указанные выше проблемы, велиуравнение 14).

летворительной работы методика МГЭИК рекомендует считать эффективность очистки по ХПК Выбросы метана вследствие наличия остаточных количеств органических веществ очищенной сточной воде Выбросы метана вследствие попадания в принимающий водный объект очищенной сточной воды с остаточными количествами органических веществ определяется по уравнению:

4,,, — выбросы метана вследствие попадания разлагаемых органических веществ в где — удельный выход метана при распаде ХПК в сточной воде. Как показано выше, эта велипринимающий водный объект очищенных сточных вод (т CO2-экв./год);

4 — потенциал глобального потепления для метана;

чина составляет 0,25 кг CH4/кг ХПК;

,, — осредненный в течение года коэффициент конверсии метана, показывающий, — величина ХПК в очищенной сточной воде, сбрасываемой в принимающий водный долю органического вещества, которая будет преобразована в метан;

, — объем сточной воды, сбрасываемой в принимающий водный объект очищенной объект в течение месяца m года y (т/м3 за месяц);

сточной воды с остаточным количеством органических веществ (м3 за месяц).

Определение величины,, метров:, определяющего зависимость интенсивности образования метана от глубины водоСреднегодовой множитель конверсии для метана определяется как произведение двух параема, и,, определяющего температурную зависимость интенсивности образования метана.

Таким образом, Для коэффициента методология МГЭИК рекомендует следующие значения: при глубине водоема более 5 м величина принимается равной 0,7, при глубине от 1 до 5 м — = 0,5, при глубине менее 1 м — = 0.

Множитель, должен вычисляться так же как в уравнении (5) как интеграл от ежемесячных значений температурного коэффициента, и с учетом того, как много кислорода было потрачено в этом месяце на разложение органических веществ, поступивших в водный объект со сточной водой. Таким образом,, — среднегодовой коэффициент, определяющий интенсивность образования метана от где, — среднемесячный коэффициент, определяющий интенсивность образования метана от температуры;

, — величина ХПК в очищенной сточной воде, сбрасываемой в принимающий водный температуры;

объект, осредненная за месяц (т/мес.).

Величина среднемесячного коэффициента, определяющего интенсивность образования метана от температуры, определяется с помощью уравнения (6).

По нашему мнению, включение в углеродный след предприятия КОС данной компоненты является спорным. Выбросы метана от сброса очищенных сточных вод в принимающий водный объект можно, скорее, отнести к углеродному следу агломерации в целом, которую предприятие КОС обслуживает. В том случае, если сточные воды сбрасываются с нормативными показателями содержания органических веществ, вклад предприятия КОС в этот компонент должен считаться нулевым. На КОС был уменьшен углеродный след агломерации, и сточная вода была очищена до нормативных значений. Учет рассматриваемого компонента и отнесение его «на счет» предприятия КОС может происходить, если сточные воды не были очищены до нормативных значений ХПК и сброшены в водный объект. В расчетах по уравнению (15) тогда должна фигурировать разница между фактическим значением ХПК и нормативным.

2.1.2 Определение выбросов закиси азота при размещении осадка Как следует из таблицы 1, выбросы закиси азота (N2O) учитываются для илового осадка в том случае, если иловый осадок вносится в почву для удобрения и улучшения ее структуры.

2,, — выбросы N2O от внесенного в почву осадка в год (т CO2-экв./год);

где,, — масса илового осадка, внесенного в почву в течение года (т);

,, — массовая доля азота в иловом осадке, внесенном в почву (т N/т осадка);

2,, — коэффициент конверсии N2O при разложении илового осадка, внесенного в почву. Используется средний коэффициент конверсии равный 0,01 т N2O-N/т N 16;

2 — потенциал глобального потепления для закиси азота (298).

44/28 — величина, обратная массовой доле азота в N20;

В том случае, если иловый осадок высушивается при контролируемых аэробных условиях, и воживается, и хранится до окончательного размещения на полигоне, 2,, = 0.

затем размещается на полигоне или перерабатывается в новом анаэробном метантенке, обезОпределение выбросов парниковых газов, связанных с производством электроэнергии Электроэнергия, потребляемая на КОС для очистки сточных вод, может быть получена из единой сети, произведена непосредственно на производственной площадке (например, с использованием биогаза) или куплена у конкретной электростанции (что нередко происходит в странах-членах ЕС).

Наиболее общее уравнение для определения выбросов парниковых газов следующее:, — выбросы парниковых газов, связанные с потреблением электроэнергии в течение где, — количество электроэнергии, потребленное на площадке КОС в течение года y от года y (т CO2/год);

,, — среднегодовой коэффициент выбросов CO2 для источника электроэнергии j в теисточника j (МВт ч/год);

чение года y (т CO2/МВт ч);

j — количество источников электрической энергии.

В методике МГЭИК рассмотрено несколько сценариев:

1. Предприятие получает электроэнергию исключительно из сети.

установленному для данного региона или страны в целом.,, =,,.

В этом случае коэффициент выбросов CO2 приравнивается к своему сетевому значению, Как указано в методике, в зависимости от наличия в сети «грязных» (ТЭЦ, работающие на ция, ТЭЦ, работающие на возобновляемом топливе) источников величина,, ископаемом топливе) и «чистых» (гидроэлектростанции, ветровая и солнечная генераможет изменяться от 1,3 т CO2/МВт ч до 0,25 т CO2/МВт ч.

2. Предприятие получает электроэнергию от одного или нескольких отдельных источников.

В том случае, если ни один из этих источников не работает по комбинированному циклу (с одновременным производством тепловой энергии), среднегодовой коэффициент выбросов CO2 может быть рассчитан по уравнению:

Stehfest, E. and Bouwman, A.F. N2O and NO emission from agricultural fields and soils under natural vegetation: summarizing available measurement data and modeling of global annual emissions. Nutr. Cycl. 29 Agroecosyst., in press.

17 «Tool to calculate baseline, project and/or leakage emissions from electricity consumption» (Version 01) http://cdm.unfccc.int/methodologies/PAmethodologies/tools/am-tool-05-v1.pdf,, — коэффициент выбросов CO2 для производства электроэнергии для источнигде,, — количество ископаемого топлива i, потребленного на источнике электроэнергии ка j в течение года y (т CO2/МВт ч);

, — средняя низшая теплотворная способность ископаемого топлива i, использоn за период времени t (единица массы или объема);

2,, — средний коэффициент выбросов CO2 ископаемого топлива i, использованного ванного за период времени t (ГДж / единица массы или объема);

, — количество электроэнергии, сгенерированной источником n за период времени t за период времени t (т CO2/ГДж);

n — количество источников энергии, экспортирующих энергию на площадку КОС;

i — типы ископаемого топлива, потребленного на источнике электроэнергии n за период В том случае, если в производстве электроэнергии участвуют ТЭЦ, производящие одновременно и электрическую, и тепловую энергию, потребляемую на площадке, среднегодовой коэффициент выбросов CO2 может быть рассчитан по уравнению:

2,,, — коэффициент выбросов CO2 для производства электроэнергии для исгде,, — количество ископаемого топлива i, потребленного на источнике электроэнергии точника j в течение года y (т CO2/МВт ч);

, — средняя низшая теплотворная способность ископаемого топлива i, использоn за период времени t (единица массы или объема);

, — количество тепла, произведенного на ТЭЦ n за период времени t (ГДж);

ванного за период времени t (ГДж / единица массы или объема);

— коэффициент полезного действия котельной, которая производила бы тепло в 2,, — средний коэффициент выбросов CO2 ископаемого топлива i, использованного отсутствии ТЭЦ;

, — количество электроэнергии, произведенной источником n за период времени t за период времени t (т CO2/ГДж);

n — количество источников энергии, экспортирующих энергию на площадку КОС;

i — типы ископаемого топлива, потребленного на источнике электроэнергии n за период В том случае, если источник электроэнергии (электростанция) работает на единственном виде ниях (20, 21) определяется как: 2,, = 2,,. Если электростанция работает на нескольископаемого топлива i, коэффициент выбросов CO2, обусловленных его сжиганием, в уравнеких видах ископаемого топлива, 2,, = 2,, — средний коэффициент выбросов CO2 вследствие сжигания ископаемых топлив на где,, — количество ископаемого топлива i, потребленного на источнике электроэнергии n за электростанции n за период времени t (т CO2/ГДж);

, — средняя низшая теплотворная способность ископаемого топлива i, использованного период времени t (единица массы или объема);

2,, — средний коэффициент выбросов CO2 для ископаемого топлива i, использованного за за период времени t (ГДж / единица массы или объема);

период времени t (т CO2/ГДж);

n — количество источников энергии, поставляющих энергию на площадку КОС;

i — типы ископаемого топлива, потребленного электростанцией n за период времени t.

2.1.4 Определение выбросов парниковых газов, связанных с потреблением топлива В том случае, если на производственной площадке для производственных нужд (получение пара, горячей воды, отопление) производится сжигание топлива, выбросы парниковых газов (CO2) могут быть определены по уравнению18:

,, — выбросы в процессе сжигания j в течение года y (т CO2/год);

где,, — количество топлива типа i, использованного в процессе сжигания j в течение года y, — коэффициент выбросов CO2 от сжигания ископаемого топлива i, в течение года y (единица массы или объема);

(т CO2/единица массы или объема);

Величина коэффициента выбросов, может быть рассчитана двумя способами в зависиi — все виды топлива, использованного в процессе сжигания j в течение года y.

Коэффициент выбросов CO2, вычисляется на основании данных о химичемости от наличия данных о типе ископаемого топлива i.

Способ 1:

Если количество топлива,, измеряется в единицах массы, то Если количество топлива,, измеряется в единицах объема, то «Tool to calculate project or leakage CO2 emissions from fossil fuel combustion», (Version 02) http://cdm.unfccc.int/methodologies/PAmethodologies/tools/am-tool-03-v2.pdf,, — средняя массовая доля углерода в топливе типа i в течение года y i,y — средняя плотность топлива типа i в течение года y (т C / единица объема тот C / единица массы топлива);

Коэффициент выбросов CO2, вычисляется на основании данных о средней 44/12 — отношение молярных масс углекислого газа (CO2) и углерода (C).

Способ 2:

низшей теплотворной способности ископаемого топлива и коэффициента выбросов, — средняя низшая теплотворная способность ископаемого топлива i, за год 2,, — средний коэффициент выбросов CO2 ископаемого топлива i за год y Первый способ является предпочтительным, так как обеспечивает большую точность расчетов.

Данный подход не учитывает выбросы других парниковых газов, происходящие при неполном сгорании топлива, полагая их незначительными по сравнению с выбросами углекислого газа.

В том случае, когда в качестве топлива используется иловый осадок, исходят из общего принципа учета выбросов углекислого газа при разложении (включая термическое) органических веществ. Это означает, что выбросы CO2 не учитывают. Могут быть учтены выбросы других парниковых газов, выделяющихся при сжигании органических веществ (например, метана), но поскольку эти величины незначительны по сравнению с другими компонентами углеродного следа, ими можно пренебречь.

Полученная в результате сжигания осадка тепловая или электрическая энергия вычитается из общей потребности КОС в покупаемой энергии.

2.1.5 Определение выбросов парниковых газов, связанных с приобретением тепла внешних источников В том случае, если потребность в тепле удовлетворяется за счет импорта из отдельного источника (например, котельной или ТЭЦ), расчет выбросов парниковых газов должен включать потери при транспортировке тепла. Среди методологий МГЭИК есть одна, предлагающая подобный подход. 19 Как и в предыдущем случае, учитываются только выбросы CO2.

Выбросы CO2 от потребленного тепла в течение года определяются по уравнению (для простоты считается, что тепло поставляется от единственного источника):

2,, — выбросы углекислого газа от потребленного тепла в течение года y (т CO2/год);

где — величина потребленного тепла на площадке за год (ГДж);

Approved baseline and monitoring methodology AM0107 «New natural gas based cogeneration plant»

http://cdm.unfccc.int/methodologies/DB/KI6WT9JQAOZU9181ESQN61EQHN6AJC 2,, — коэффициент выбросов углекислого газа при генерации тепла на источнике – — коэффициент потерь тепла в сети (в долях единицы).

поставщике тепловой энергии (т CO2-экв./ГДж);

Расчет по уравнению (25) легко можно выполнить, если источником является котельная. В этом случае можно считать, что следовательно, 2,, — выбросы углекислого газа от потребленного тепла в течение года y (т CO2/год);

где, — коэффициент полезного действия котельной, работающей на топливе i, в долях едисредний коэффициент выбросов CO2 для ископаемого топлива i за год y (т CO2ницы;

— коэффициент потерь тепла в сети (в долях единицы).

экв./ГДж);

Однако в том случае, когда теплоснабжение осуществляется от ТЭЦ, величину 2,, определить несколько сложнее, поскольку ТЭЦ производит и тепло, и электроэнергию. В данном случае важным параметром является соотношение между всей произведенной тепловой и электрической энергией в течение года:

— соотношение между произведенной тепловой и электрической энергией в течение года y.

где, — общее количество тепла, произведенное на ТЭЦ в течение года y (ГДж);

Эта величина для конкретной ТЭЦ является известной и одинаковой для всех потребителей;

, — общее количество электроэнергии, произведенное на ТЭЦ в течение года y и направленное в сеть (МВт ч);

3,6 — переводной коэффициент (ГДж/МВт ч).

Количество произведенного тепла можно связать с количеством потребленного топлива i через соотношение:

, — коэффициент полезного действия по теплу ТЭЦ, работающей на топливе i;

где, — коэффициент полезного действия по электричеству ТЭЦ, работающей на топливе i;

, — количество топлива типа i, использованного j в течение года y (единица массы или, — средняя низшая теплотворная способность ископаемого топлива i, за год y объема);

Подставляя в уравнение (28) величину вместо с использованием параметра полуГДж / единица массы или объема).

чаем:

С использованием уравнения (23) для одного типа топлива получаем:

Отсюда, для каждого вида топлива i в отдельности можно получить, — выбросы CO2, соответствующие произведенному на ТЭЦ теплу в течение года y где 2,, — средний коэффициент выбросов CO2 ископаемого топлива i за год y (т CO2т CO2/год);

Отсюда, поскольку произведенное и потребленное тепло связаны соотношением: = экв./ГДж).

(1 + ), получаем окончательное уравнение для расчета выбросов CO2, обусловленных потреблением тепла, произведенного на ТЭЦ:

Величины коэффициентов выбросов CO2 для ископаемого топлива различных видов можно найти в справочном руководстве МГЭИК 20, выпущенном на различных языках, включая русский, а также в других руководствах по вопросам оценки влияния ПГ на изменение климата 21.

2.1.6 Определение выбросов парниковых газов, связанных с перевозкой илового В том случае, если иловый осадок транспортируется автотранспортом к местам захоронения или переработки, учитываются выбросы парниковых газов при сгорании автомобильного топлива. Наибольшее воздействие на парниковый эффект, в данном случае, оказывают выбросы углекислого газа, поэтому выбросами остальных парниковых газов пренебрегают.

Расчет выбросов CO2 производится по уравнению:

Good Practice Guidance and Uncertainty Management in National Greenhouse Gas Inventories 2000, http://www.ipccnggip.iges.or.jp/public/gp/english/ 21 ENERGY STAR Portfolio Manager Methodology for Greenhouse Gas Inventory and Tracking Calculations, http://www.energystar.gov/ia/business/evaluate_performance/Emissions_Supporting_Doc.pdf,, — выбросы CO2, связанные перевозкой илового осадка в течение года y (т CO2/год);

где, — число поездок (транспортным средством типа i с одинаковой грузоподъемностью) для, — среднее расстояние перевозки илового осадка транспортным средством типа i в течение перевозки илового осадка в течение года y (поездок);

, — удельное потребление топлива транспортным средством типа i в течение года y (единигода y (км);

— низшая теплотворная способность автомобильного топлива j в течение года y (ГДж / ца массы или объема / км);

, — коэффициент выбросов CO2 автомобильного топлива j в течение года y (т CO2/ГДж);

единица массы или объема);

i — тип транспортного средства;

j — вид автомобильного топлива.

Число поездок автомобиля типа i определяется как:

, — масса ила, произведенная на площадке и предназначенная к вывозу в течение года (т);

где — средняя грузоподъемность транспортного средства типа i в течение года y (т/поездка).

Численные значения коэффициентов выбросов СО2 могут быть найдены в различных руководствах, включая руководство МГЭИК 22 или пособие, разработанное для муниципалитетов 23.

2.2 Выделение закиси азота в процессе очистки сточных вод (N2 O), хотя возможны ситуации (большое количество азотосодержащих соединений в постуКак было указано выше, данные методологии МГЭИК не рассматривают выбросы закиси азота пающей на очистку сточной воде), когда фактор выбросов N2 O становится существенным. Рассмотрим существующие подходы к определению выбросов закиси азота при очистке сточных вод.

В хозяйственно-бытовых сточных водах содержится, в среднем, от 20 до 40 мг/дм3 соединений азота. В основном азот представлен в виде аммиака (NH3 ) и ионов аммония (NH4 ). Кроме того, в сточных водах есть ряд азотсодержащих органических веществ, которые в процессе обработки превращаются в аммоний.

Перед сбросом в сточных вод в водный объект требуется значительно снизить в них содержание соединений азота, поскольку аммиак токсичен для рыб и других водных организмов. Также избыток азота в воде является одним из факторов, приводящих к эвтрофикации водоемов.

Наиболее распространенным способом очистки сточных вод от соединений азота является удаление азотистых соединений в аэрируемом реакторе с активным илом или на биофильтрах.

IPCC Guidebook: Good Practice Guidance and Uncertainty Management in National Greenhouse Gas Inventories http://www.ipcc-nggip.iges.or.jp/public/gp/bgp/2_3_Road_Transport.pdf 23 Technical annex to the SEAP template instructions document: THE EMISSION FACTORS http://www.eumayors.eu/IMG/pdf/technical_annex_en.pdf В этом случае азотистые соединения удаляются в процессе нитрификации и денитрификации.

Подробнее о реакции нитрификации — на врезке 5.

Врезка 5.

Нитрификация осуществляется в аэробной зоне с помощью бактерий. Процесс проходит в два этапа. На первом этапе аммоний окисляется до нитрита с помощью группы бактерий – окислителей аммония (AOB), принадлежащих к родам Nitrosomonas, Nitrosococcus, Nitrosopira, Nitrosovibrio, and Nitrosolobus.

Окисление аммония под действием бактерий можно выразить следующей реакцией:

Далее, нитрит-окисляющие бактерии (NOB), к которым относятся бактерии родов Nitrobacter, Nitrospira, 2 + 0,52 3. Эта реакция также осуществляется с выделением тепла.

Nitrjococcus и другие осуществляют следующую реакцию, результатом которой является образование нитратов:

Выделяемое в процессе реакций тепло расходуется на деятельность нитробактерий и повышает температуру сточной воды.

как катализатора, является гидроксиламин (2 ). Монооксигеназа является ферментом, который в резульПромежуточным продуктом первой из этих двух реакций, происходящей при участии аммоний-монооксигеназы очередь, под действием кислорода и фермента оксидоредуктазы окисляется до 2. 24 Также закись азота обтате различных метаболических путей присоединяет к веществу гидроксильную группу. Гидроксиламин, в свою разуется в результате химической декомпозиции промежуточных продуктов, таких как 2, между реакцией преобразования 4 в Схематически реакция нитрификации выглядит следующим образом:

Другим путем образования N2 O являются реакции денитрификации, при которых нитраты (NO ) и нитриты (NO ) превращаются в газообразный азот, проходя при этом череду промеазота: моноксид азота (NO) и закись азота N2 O. Эти реакции также осуществляются в результажуточных преобразований. Результатом этих преобразований являются газообразные оксиды те метаболизма бактерий рода Paracoccus Denitrificans и Pseudomonads.

Hooper, A.B., Terry, K.R. «Hydroxylamine oxidoreductase of Nitro- somonas production of nitric oxide from hydroxylamine». Biochimica et Biophysica Acta, no. 571 (1979): 12-20.

25 Wrage, N., Velthof, G.L., van Beusichem, M.L., Oenema, O. «Role of nitrifier denitrification in the production of nitrous oxide». Soil Biology & Biochemistry (PERGAMON), no. 33 (2001): 1723-1732.

Процесс выделения N2 O при денитрификации идет тем интенсивнее, чем меньше содержание органического вещества в сточной воде и растворенного кислорода при наличии нитритов.

Наиболее интенсивно процесс идет в аноксидных 26 зонах при отсутствии кислорода. Схематически реакция денитрификации выглядит следующим образом:

Поскольку выделение закиси азота – сильного парникового газа – является нежелательным, факторов, влияющих на величину выбросов N2 O. Обзор результатов этих исследований привееще в середине 90-х годов было проведено множество исследований с целью определения ден, например, в работе 27.

В частности, указывается, что на стадии нитрификации определяющими факторами являются концентрация растворенного в сточной воде кислорода, время гидравлического удержания ции растворенного кислорода и малое время удержания стимулируют образование N2 O в проактивного ила, pH и концентрация растворенного органического вещества. Низкие концентрацессе нитрификации активного ила. Переход аммония в N2 O возрастает на 8 %, если концентрация растворенного кислорода опускается ниже 1 мг/дм3. Результаты экспериментов показывают, что риск значительного увеличения выделения закиси азота на стадии нитрификации существует при окислении органических веществ в условиях недостатка кислорода и малого На стадии денитрификации образованию выбросов N2 O способствуют низкая величина отновремени удержания активного ила.

шения ХПК / NO N, малое время удержания активного ила и низкий уровень pH. Среди этих параметров наиболее важной является величина ХПК/NO N, определяющая полноту денитрификации. В некоторых случаях, в качестве «дополнительного питания» для денитрифицигда процесс денитрификации будет завершен и выбросы N2 O будут минимальными.

рующих бактерий добавляются легко усвояемые источники углерода: метанол или этанол. ТоВ том случае, если нитрификация и денитрификация происходят последовательно в одном рети в N2 O, если величина отношения ХПК / NO3-N составляет менее чем 3,5. При величине этого акторе, как показано в работе 28 на модельной сточной воде, до 20–30 % аммония могут перейотношения равной 5 денитрификация проходила полностью и величина выбросов N2 O была незначительной.

На реальной хозяйственно-бытовой сточной воде в лабораторных условиях 29 было показано, что в закись азота может превращаться до 4 % азота, удаленного из сточной воды, причем осРазличия между анаэробными и аноксидными зонами состоит в том, что в анаэробных зонах – жесткие бескислородные условия, а в аноксидных – кислород присутствует, но в растворенном, в связанном виде – в виде нитритов и нитратов (NO2, NO3).

27 Nitrous oxide production in nitrogen removal process treating domestic sewage from combined sewer system, Pages 153K. Hanaki, T. Nakamura, T. Matsuo. In the book «Advances in Water and Wastewater Treatment Technology Molecular Technology, Nutrient Removal, Sludge Reduction and Environmental Health» Copyright © 2001 Elsevier B.V. Edited by:

Tomonori Matsuo, Keisuke Hanaki, Satoshi Takizawa and Hiroyasu Satoh 28Itokawa H, Hanaki K, Matsuo T. Nitrous oxide production in high-loading biological nitrogen removal process under low COD/N ratio condition. Water Res. 2001 Mar;35(3):657- 29 Wunderlin P, Mohn J, Joss A, Emmenegger L, Siegrist H. Mechanisms of N2O production in biological wastewater treatment under nitrifying and denitrifying conditions. Water Res. 2012 Mar 15; 46(4):1027-37. Epub 2011 Dec 8.

новным источником N2 O оказался процесс нитрификации. Концентрация растворенного N2 O N составила 1,85 мг/дм3. В процессе денитрификации часть растворенной закиси азота в процесс денитрификации можно ограничивать выбросы N2 O (подробнее см. врезку 6).

конце аэрации перешла в газообразную форму азота. В работе делается вывод, что регулируя Врезка 6.

Выбросы закиси азота в процессах нитрификации и денитрификации при очистке сточных вод до сих пор остаются не до конца понятым явлением, которое не поддается адекватному математическому моделированию. По крайней мере, такой вывод сделан авторами доклада 30 на прошедшей в конце февраля 2012 года в Канаде конференции WWTmod2012. Ими были опробованы 4 математических модели и проведены лабораторные экспериных вод. Все модели вполне адекватно описывали поведение ионов 4, 2, 3, но были не в состоянии менты по определению веществ, сопутствующих процессам нитрификации и денитрификации при очистке сточвоспроизвести измеренные количества 2.

Подобная неопределенность и неудачи в построении теоретических моделей в сочетании с высоким потенциалом глобального потепления закиси азота (298) стимулируют исследователей к созданию полуэмпирических моделей, основанных на экспериментальных данных.

Обширное исследование на эту тему было проведено в 2009-2011 годах в Колумбийском университете 31. В литературном обзоре, приведенном в данной работе, содержатся данные о том, что из общей нагрузки очистных сооружений по азоту (общий азот по Кьельдалю – TKN) до 7 % может выделиться в виде газообразной закиси фикация – денитрификация) удалением азотистых соединений. Результаты показали, что выбросы 2 в завиазота и монооксида азота. В работе было исследовано 12 очистных сооружений в США с биологическим (нитрисимости от величины — значений общего количества азота, удаленного в процессе очистки. Данная величина составила по массе от 0,01 % до 3,3 %.

образом 2 выделяется в аноксидной зоне очистных сооружений с активным илом, то результаты исследоваЕсли до 2009 года считалось (данные Агентства по охране окружающей среды США (USEPA)) 32, что, главным ния Колумбийского университета показали, что главным источником закиси азота является аэрируемая зона реактора.

Результаты цитированной работы были использованы специалистами Агентства по охране окружающей среды США (USEPA) при разработке методологии определения выбросов парниковых газов для ряда биологических процессов /производств: размещение отходов, очистка 2, модифицированное нами для учета месячных вариаций качества сточных вод, следуюсточных вод и производство этанола 33. Рекомендуемое USEPA уравнение для расчета выбросов щее:

2,, — выбросы 2 в процессе биологической очистки в течение года (т CO2/год);

где Bing-Jie Ni, Zhiguo Yuan, Kartik Chandran, Peter A. Vanrolleghem, Sudhir Murthy «Evaluating mathematical models for N2O production by ammonia-oxidizing bacteria: towards a unified model».

31 «Greenhouse Nitrogen Emission from Wastewater Treatment Operations» Interim Report by: Kartik Chandran, Ph.D. Department of Earth and Environmental Engineering Director, CUBES Program Columbia University http://www.google.ru/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=2&sqi=2&ved=0CCsQFjAB&url=http%3A%2F%2Fwww.w erf.org%2Fc%2F_FinalReportPDFs%2FU%2FU4R07a.aspx& 32 U.S. EPA (2009) Inventory of U.S. Greenhouse Gas Emissions and Sinks: 1990-2006, EPA 430-R-08-005. Washington, D.C. http://www.epa.gov/climatechange/ghgemissions/usinventoryreport.html 33 Greenhouse Gas Emissions Estimation Methodologies for Biogenic Emissions from Selected Source Categories:

Solid Waste Disposal, Wastewater Treatment, Ethanol Fermentation. U.S. Environmental Protection Agency, Sector Policies and Programs Division, Measurement Policy Group. Submitted by: RTI International. December, 2010.

http://www.epa.gov/ttnchie1/efpac/ghg/GHG_Biogenic_Report_draft_Dec1410.pdf, — объем сточной воды, поступающей на биологическую очистку в течение месяца i года, — концентрация общего азота (по Кьельдалю) в сточной воде, поступающей на очиy (м3);

2 — коэффициент конверсии N2 O. По рекомендациям МГЭИК10 он принимается равным стные сооружения (мг/дм3 или г/м3);

0,005 г, который поступает в атмосферу как N2 O / г TKNinl. Разброс величин коэффициента составляет 0,0005 – 0,25. По этой причине, данная величина требует уточнения (см. раздел 2.3);

2 — потенциал глобального потепления для N2 O (298);

44/28 — коэффициент пересчета (величина, обратная массовой доле азота в N2O);

106 — коэффициент пересчета граммов в тонны.

чение выбросов N2 O равное 0,005 *44/28 = 0,0078 TKNinl или 0,78 % TKNinl на входе в очистИз приведенного выше уравнения следует, что специалисты USEPA использовали среднее знаные сооружения.

сии N2 O проектируемых очистных сооружений. В этих оценках используется коэффициент конВ руководстве US EPA33 приведены упрощенные уравнения для оценки коэффициента конверверсии N2 O EFN2O,PE_US, нормированный на величину популяционного эквивалента PE. Значег ния коэффициентов конверсии следующие:

2,_ = 3,2 г в год, для очистных сооружений, удаляющих азот небиологическими методами (без целенаправленной денитрификации).

При использовании данных уравнений следует иметь в виду, что американский популяционный эквивалент определяется как 100 галлонов (378 литров) сточной воды на человека в сутки.

В Европе и Российской Федерации используется другое значение популяционного коэффициента: 200 литров сточной воды или 60 г БПК5 (по органическому веществу) на человека в сутки.

N2 O нормировать не к величине общего азота в сточной воде, поступающей на очистные соУравнение (32) может быть модифицировано в уравнение (32a), если коэффициент конверсии оружения, а величине удаленного в процессе денитрификации общего азота. Такое нормирование лучше отражает физику процесса и, кроме того, по величине коэффициента конверсии, 2.3 ниже). Тогда уравнение для расчета выбросов N2 O выглядит следующим образом:

нормированного подобным образом, имеется много экспериментальных данных (см. раздел, — концентрация общего азота (по Кьельдалю) в очищенной сточной воде (мг/дм где 2/ — коэффициент конверсии N2 O (по общему азоту) нормированный на величину удаили г/м3);

ленного азота в процессе денитрификации. Подробности об измерениях и величине этого коэффициента содержатся в разделе 2.3;

Остальные обозначения – те же, что и в уравнении (32).

2.3 Уточнения методологий МГЭИК В последнее десятилетие появилось множество работ, главным образом экспериментальных, в которых уточняются методологии МГЭИК. Эти уточнения, как правило, сводятся к определению коэффициентов конверсии метана и закиси азота. Так, в работе 34, выполненной Water Services Association of Australia (WSAA), проведены лабораторные и натурные исследования выбросов метана и закиси азота.

Выбросы метана в процессе очистки сточных вод исследовались на четырех полномасштабных очистных сооружениях:

Берд-ин-Хэнд, Аделаида Хиллз, Южная Австралия, производительность — 1,2 тыс. м3/сутки, хозяйственно-бытовые и промышленные сточные воды. Очистные сооружения состоят из двух открытых (параллельных) аэробно-анаэробных накопителей, аэрируемого отстойника (2 механических поверхностных аэратора) и 7 прудовусреднителей.

Западные очистные сооружения 25W, Мельбурн, производительность — 230 тыс. м3/сутки, хозяйственно-бытовые и промышленные сточные воды. Очистные сооружения состоят из закрытого анаэробного отстойника (CAL) емкостью 650 тыс. м3 со сбором биогаза, который используется для получения энергии, аэрируемого отстойника емкостью 713 тыс. м3 (50 механических поверхностных аэраторов), установки с активным илом (ASP), принимающей около 200 тыс. м3/день от CAL и 9 прудов-усреднителей.

Северные главные очистные сооружения, Сидней, производительность — 275 тыс. м3/сутки, хозяйственно-бытовые и промышленные сточные воды. Очистные сооружения состоят из четырех первичных отстойников (гидравлическое удерживание примерно 0,5 часа), илоуплотнителей, аэробного сбраживания, механического обезвоживания ила на центрифугах.

Пивзавод Фостерз, Ятала, Квинсленд. Производительность — 3,3 тыс. м3/сутки. Очищаются исключительно сточные воды пивоваренного производства. Очистные сооружения включают, 4 UASB реактора 35 по 0,66 тыс. м3 каждый, два флотатора, обезвоживание На каждых очистных сооружениях были проведены по 4 опыта с августа по ноябрь, во время которых определялись выбросы метана в различных зонах очистных сооружений и величины ХПК. Результаты показали, что наибольшая генерация метана наблюдалась на Западных очистных сооружениях в анаэробном отстойнике CAL. Поскольку генерируемый там метан собирался и использовался как биогаз, в атмосферу выделялось лишь 7–11 % всего метана, который попадал в растворенном виде на установку с активным илом и аэрируемый отстойник и там выделялся в атмосферу. Поскольку Западные очистные сооружения Мельбурна относятся к крупным, даже это количество является значительным источником парниковых газов (13 400– 21 600 т CO2-экв./год).

Измерения показали, что на участке CAL очистных сооружений выделяется 0,22–0,23 кг CH4 на тельствует о том, что величина коэффициента конверсии для метана составляет 0,87– 1 кг удаленного ХПК. В контексте методологии МГЭИК (уравнения 3–5, таблица 2), это свидеа не максимальное значение 0,7 (уравнения 4–5) или 0,8 (таблица 2), рекомендованные МГЭИК.

WSAA Occasional Paper No.24 - Direct Methane and Nitrous Oxide emissions from full-scale wastewater treatment systems (2009). https://www.wsaa.asn.au/WSAAPublications/Pages/Occasional-Papers.aspx#.UFOG5I1gJm 35 Upflow Anaerobic Sludge Blanket (UASB) — реактор с восходящим потоком через слой гранулированного анаэробного ила.

ний соответствуют величине = 0,03–0,20, что соответствует «мелкому анаэробному отИзмеренные величины выбросов метана в аэрируемом отстойнике тех же очистных сооружестойнику» таблицы 2, рекомендованной МГЭИК.

На Северных главных очистных сооружениях Сиднея метан практически не выбрасывается в атмосферу. Возможной причиной, как указывается в цитируемом отчете WSAA, является поглощение метана в первичных отстойниках в результате деятельности метанотрофных бактерий в поверхностном слое в условиях наличия кислорода36. Для этих бактерий метан служит источником углерода и энергии. Процесс окисления метана идет в соответствии с уравнением Данный эффект хорошо описан, например, в работах Аллы Ножевниковой (Институт микробиологии им. С. Н. Виноградского РАН) применительно к выделению метана с полигонов ТБО.

Степень окисления метана в поверхностном аэрируемом слое растет с температурой и может составлять 10–100 %. При отрицательных температурах деятельность метанотрофных бактерий для метана для четырех исследованных очистных сооружений.

прекращается. В таблице 4 представлены откорректированные коэффициенты конверсии Таблица 4 – Коэффициенты конверсии метана, полученные экспериментально на полномасштабных очистных сооружениях Берд-ин-Хэнд, Аделаида Хиллз, Аэрируемый отстойник, мощность Западные очистные сооружения Закрытый анаэробный отстойник 25W, Мельбурн, 230 тыс. м3/сутки 8 м глубиной Северные главные очистные со- Первичные отстойники глубиной Возможное окисление оружения, Сидней, 275 3,2 м с временем гидравлического 0,00 метана в верхнем слое Пивзавод Фостерз, Ятала, Квинсленд. Производительность — UASB – реактор, 5,5 м глубиной 1,00 0,80–1, 3,3 тыс. м3/сутки Исследования по выбросам NO2 от сооружений биологической очистки были проведены на семи полномасштабных очистных сооружениях, отличающихся мощностью, конструкцией и глубиной очистки от соединений азота. Эти сооружения следующие:

Очистные сооружения о. Брисбан, Квинсленд. Производительность — 38 тыс. м3/сутки, гидравлическое удержание ила около 13 суток. Анаэробный контактный реактор, 2 параллельных циркуляционных окислительных канала, вторичное осаждение, механическое уплотнение и обезвоживание илового осадка. Концентрация общего азота на выпуске менее 3 мг/дм3.

Очистные сооружения г. Тувумбы, Квинсленд. Производительность — 10 тыс. м3/сутки, гидравлическое удержание ила около 20 суток. Два вытянутых, разделенных на отсеки Йоханнесбургских реактора 37, погружные OKI миксер-аэраторы, вторичное осаждение, механическое уплотнение и обезвоживание илового осадка, аэробное сбраживание осадка. Концентрация общего азота на выпуске менее 5 мг/дм3.

Очистные сооружения Вудман пойнт, г. Перт, Западная Австралия. Производительность — 137 тыс. м3/сутки, гидравлическое удержание ила около 16 суток. Первичное осаждение, последовательно-циклический реактор SBR (4 отсека) с мелкопузырчатой аэрацией По мнению российских экспертов, другой возможной причиной является малое время пребывания осадка в первичных отстойниках.

37 Йоханнесбургский процесс — последовательное чередование в удлиненном бассейне аноксидной, анаэробной, аноксидной и аэробной зон.

и биоселектором, механическое уплотнение и обезвоживание илового осадка, анаэробное сбраживание осадка. Концентрация общего азота на выпуске менее 15 мг/дм3.

Очистные сооружения Субиако, г. Перт, Западная Австралия. Производительность — 63 тыс. м3/сутки, гидравлическое удержание ила около 13 суток. Первичное осаждение, 11 закрытых модифицированных реакторов Людзака-Этингера MLE 38 (параллельно) с мелкопузырчатой аэрацией, вторичное осаждение, механическое уплотнение и обезвоживание илового осадка, стабилизация осадка известью. Концентрация общего азота на выпуске менее 12 мг/дм3.

Очистные сооружения г. Аделаида, Южная Австралия. Производительность — 49 тыс. м3/сутки, гидравлическое удержание ила около 8 суток. Первичное осаждение, пленочных биореактора с активным илом, один реактор MLE (параллельно) с мелкопузырчатой аэрацией, вторичное осаждение, механическое уплотнение и анаэробное сбраживание осадка. Концентрация общего азота на выпуске менее 11 мг/дм3.

Западные очистные сооружения 25W, Мельбурн, производительность — 230 тыс. м3/сутки, гидравлическое удержание ила около 15 суток. Очистные сооружения состоят из закрытого анаэробного отстойника (CAL) емкостью 650 м3 со сбором биогаза, который используется для получения энергии, аэрируемого отстойника емкостью 713 м (50 механических поверхностных аэраторов), 1 реактор MLE с мелкопузырчатой аэрацией и 9 прудов-усреднителей. Концентрация общего азота на выпуске менее 13 мг/дм3.

Очистные сооружения Санкт-Мари, Сидней, производительность 25 тыс. м3/сутки, гидравлическое удержание ила около 14 суток. Очистные сооружения состоят из двух параллельных линий. Первая линия включает первичное осаждение, реактор Барденфо 39, биореактор с мелкопузырчатой аэрацией, вторичное осаждение. Вторая линия включает пре-ферментацию, реактор A2/O 40 с мелкопузырчатой аэрацией, вторичное осаждение, третичную фильтрацию, уплотнение ила, аэробное сбраживание, иловый отстойник и механическое обезвоживание.

Коэффициенты конверсии N2O (по общему азоту), нормированные на величину удаленного азота в процессе денитрификации, полученные в результате 20 серий опытов на 7 перечисленных выше очистных сооружениях, представлены в таблице 5.

Жирным шрифтом показаны осредненные значения коэффициентов конверсии, а в скобках – разброс значений. При сравнении характеристик очистных сооружений по удалению азота, отмечается, что наибольшие коэффициенты конверсии закиси азота получены на тех сооружениях, где наблюдается высокая концентрация общего азота в очищенной сточной воде. Этот факт коррелируется с приведенными ранее данными о том, что наибольшие выбросы закиси азота Минимальное значение коэффициента конверсии N2 O составило 0,006, а максимальное — сопровождают неполную денитрификацию.

0,253 кг N2 O N/N. Средняя арифметическая величина по 20 опытам составила EFN2O/N = 0,035 ± 0,027 кг N2 O N/N. Эта величина близка к максимальному значению, полученному в работе — EFN2O/N = 0,033 кг N2 O N/N. Однако, ряд значений, приведенных в таблице 5, имеет значительные выбросы и нуждается в статистической обработке.

Modified Ludzack-Ettinger Process (MLE) — Модифицированный процесс Людзака-Этингера — этот процесс представляет собой модификацию обычного процесса очистки с активным илом, где аноксидная зона расположена перед аэробной. Процесс использует внутреннюю рециркуляцию переносящую нитраты, созданные в процессе нитрификации в аэробной зоне со смесью активного ила и сточной воды на вход в аноксидную зону. Степень удаления нитратов в аноксидной зоне зависит от рециркуляционного потока и наличия доступных органических веществ во входном потоке.

39 Процесс Барденфо предусматривает обработку сточных вод последовательно в аноксидной, анаэробной и двух аэробных зонах, разделенных анаэробной.

40 Процесс A2/O предусматривает обработку сточных вод в аноксидной, анаэробной и аэробной зонах.

Таблица 5 – Коэффициенты конверсии N2O (по общему азоту), нормированные на величину удаленного азота в процессе денитрификации сооружения 0,008 (0,005-0,016) 0,006 (0,003-0,012) 0,013 (0,008-0,023) 0,006 (0,003-0,013) Вудман-пойнт 0,022 (0,014-0,034) 0,078 (0,056-0,134) 0,007 (0,004-0,010) 0,096 (0,068-0,166) Санкт-Мари Для выбраковки результатов был использован предложенный в работе 41 критерий:

– граница цензурирования выборки;

где – среднеарифметическое значение по выборке;

– число значений в ряде (число наблюдений);

– значение эксцесса распределения.

Расчеты границы цензурирования по данному уравнению, как показано в цитированной книге, дают хорошие результаты при исключении недостоверных значений для широкого круга раскоэффициента конверсии закиси азота равным EFN2O/N = 0,013 кг N2 O N/N. Данная велипределений, отличных от нормального. Применяя этот критерий, получаем среднее значение чина будет использоваться в дальнейших расчетах.

МГЭИК 2006 года. Там величина EFN2O/N = 0,005 кг N2 O N/N. Однако, в последнем (февДанная величина в 2,6 раз больше, коэффициента конверсии, рекомендованного в методике раль 2013 года) исследовании EPA 42 (раздел отходы) признается, что коэффициенты конверсии нуждаются в уточнении, причем в качестве источника этого уточнения предлагаются те же маИсследование WSAA показало также, что не менее 95 % образовавшегося N2 O выбрасывается в териалы, которые были использованы в нашей работе.

атмосферу.

аноксидной) наблюдается наибольшая генерация N2 O. Оказывается, что образование закиси Интересны также полученные в работе данные о том, в каких зонах (анаэробной, аэробной, азота всегда наблюдается в анаэробной и аноксидной зонах. В первичном и вторичном отстойниках закись азота также образуется, но в гораздо меньших количествах. Наиболее значительны вариации в интенсивности выделения закиси азота в аэробных зонах. Там могут наблюдаться как значительные интенсивности образования газа, так и полное его отсутствие. Процессы, происходящие в данной области очень чувствительны к изменениям параметров сточной воды: нагрузки по азоту, pH, концентрации растворенного кислорода, наличия окисляемых органических веществ.

Новицкий П. В., Зограф И. А. Оценка погрешностей результатов измерений. – 2-е издание, переработанное и дополненное – Л.: Энергоатомиздат, Ленинградское отделение, 1991, – 304 стр.

42 http://www.epa.gov/climatechange/ghgemissions/usinventoryreport.html [Электронный ресурс] 3. Пошаговый расчет углеродного следа очистных сооружений Прежде, чем проводить расчеты, следует определить приближение, при котором будет рассчитываться углеродный след предприятия КОС. Скорее всего, в расчет войдут сами производственные площадки, где расположены очистные сооружения, плюс полигоны, где размещается иловый осадок, транспорт, перевозящий осадок на полигоны (и прочий транспорт предприятия), административные здания, где работают сотрудники предприятия.

В качестве временного интервала для определения величины углеродного следа, по умолчанию, выберем один год.

Шаг 1. Углеродный след, обусловленный импортируемой электроэнергией, потребляемой на производственной площадке и в офисных помещениях В том случае, если электроэнергия потребляется из централизованной сети, расчет производится по схеме, приведенной в таблице 6.

Таблица 6 – Расчет выбросов парниковых газов при потреблении электроэнергии из сети В 2010 году Европейский Банк Реконструкции и Развития (ЕБРД) выполнил исследованиепрогноз величин коэффициентов выбросов парниковых газов (колонка 2) до 2020 года для энергосистем Российской Федерации 43. Значения коэффициентов до 2016 года приведены в таблице 7. Различия в коэффициентах обусловлены разным «набором» генерирующих мощностей и других особенностей региона (атомная энергетика, тепловая генерация, в зависимости от вида топлива, гидроэлектростанции, протяженность ЛЭП, потери в сети и пр.) Таблица 7 – Коэффициенты выбросов CO2 по энергосистемам и по России в целом В том случае, если источники электроэнергии известны, величины коэффициентов выбросов (Таблица 6, столбец 2) могут быть получены непосредственно по запросу у руководства элекЕвропейский банк реконструкции и развития. «Динамика развития коэффициентов выбросов углерода при производстве электрической энергии», 14 октября 2010 года.

http://www.ebrd.com/downloads/sector/eecc/Baseline_Study_Russia_Final_Russian.pdf тростанции или электроснабжающей компании, что уточнит расчет выбросов парниковых газов. Если источником электроэнергии является тепловая генерация, и тип и количество используемого топлива известны, то можно величины коэффициентов выбросов рассчитать самостоятельно по уравнениям (20–22), приведенных в разделе 2. В том случае, если речь идёт о возобновляемых источниках энергии, коэффициент выбросов парниковых газов принимается равным нулю.

Отметим, что на этом шаге мы определяем только углеродный след, связанный с потреблением электрической энергии от внешних источников.

Шаг 2. Углеродный след, обусловленный потреблением тепловой энергии Шаг 2.1. Тепло генерируется непосредственно на производственной площадке В том случае, если на производственной площадке для производственных нужд (получение пара, горячей воды, отопление) производится сжигание ископаемого топлива или отходов, выбросы парниковых газов (CO2) определяются по схеме, приведенной в таблице 8.