Для чего нужны метантенки
Метантенк
Содержание
Назначение
Метантенк является одним из важных элементов очистных сооружений. В отличие от аэротенков в них поступает, как правило, не сама сточная жидкость, а концентрированный осадок, выпадающий в отстойниках. Для малых количеств сточной жидкости (как правило, до 25 м³ в сутки) обычно применяют септики, для средних количеств (до 10 000 м³ в сутки) — двухъярусные отстойники. [1]
Конструкция
Конструктивно метантенк представляет собой цилиндрический или реже прямоугольный резервуар, который может быть полностью или частично заглублён в землю. Днище метантенка имеет значительный уклон к центру. Кровля метантенка может быть жёсткая или плавающая. В метантенках с плавающей кровлей снижается опасность повышения давления во внутреннем объёме.
Стенки и днище метантенка выполняются, как правило, из железобетона.
Принцип действия
Основными технологическими параметрами при расчётах метантенков являются температура во внутреннем пространстве, продолжительность сбраживания, производительность по сухому органическому веществу, концентрация перерабатываемого осадка и режим загрузки. Наибольшее применение нашли мезофильный (при температуре 32—35 °C) и термофильный режим (при температуре 52—55 °C). Мезофильный режим является менее энергоёмким, термофильный позволяет применять метантенки меньшего объёма. За рубежом чаще применяется мезофильный режим. [3]
В конце XX века вместо метантенков начали применять механическое обезвоживание и химическое кондиционирование нестабилизированных биологических осадков, однако эти методы энергетически менее выгодны.
Метантенки
Метантенки – это сооружения для анаэробной стабилизации осадков сточных вод, применяются на городских, промышленных и локальных очистных сооружениях. Чаще всего в метантенках сбраживается осадок первичных отстойников или активный ил, или их смесь. Положительным эффектом строительства таких сооружений является получение метаносодержащего газа, который можно использовать для отопления помещений очистных сооружений или в качестве топлива для газобаллонных машин. На крупных станциях очистки сточной воды устраивают газгольдеры – сооружения для регулирования давления газовой сети и для накопления метансодержащего газа.
Метановое сбраживание – это процесс распада органических соединений до простых веществ, в результате которого выделяется газ. Жиры и белки в основном разлагаются с высоким выделением метана, а углеводы — с выделением углекислого газа. Смесь этих газов – это биогаз. Процесс разложения происходит в результате жизнедеятельности анаэробных микроорганизмов.
Сбраживание принято делить на следующие стадии:
Возможно три режима работы метантенков:
Выбор температуры определяется условиями работы метантенка: технико-экономическими, санитарно-гигиеническими, природоохранными с учетом обеспечения полного цикла сбраживания. Следует также обратить внимание на химический состав осадка и его объем.
Условия работы метантенка
Для того чтобы процесс сбраживания в метантенке происходил без проблем, в нем необходимо поддерживать постоянными следующие условия:
Для этого подачу и выгрузку осадка в сооружение в течение суток рекомендуется выполнять равномерно (прямоточная схема экспуатации), а также для поддержания необходимой температуры возможен обогрев острым паром. Тем не менее, в общем плане, метантенки могут работать в режимах:
Эффект сбраживания в метантенках
Есть и другие факторы, влияющие на эффект сбраживания:
Перемешивание осуществляется механическими мешалками или при помощи циркуляции осадка и рециркуляции газа (более эффективный способ, однако на практике примяенится редко).
Однако интенсивность перемешивания имеет предел: если она будет слишком высока то, некоторые группы бактерий могут потерять связь, родство с определенной частью субстрата. В свою очередь неинтенсивное перемешивание ведет к уменьшению образования биогаза.
Существуют две технологические схемы сбраживания (работы биореакторов):
Выделяют следующие возможные конструкции метантенков:
Независимо от конструкции схема метантенка будет включать в себя:
Зоны метантенка принято делить на зону уплотнения и зону сбраживания.
Для автоматизации метнтенка устанавливаются приборы контроля:
Интенсификация работы метантенка ведется в двух напрявлениях:
МЕТАНТЕНКИ –утилизация отходов с пользой
Согласно директиве Европейского Союза все страны-члены ЕС обязаны увеличить переработку своих отходов до 50 % от общего объема к декабрю 2010 г. В нашей стране пока такого закона не существует, однако мусор имеется и у нас, и утилизировать его получается далеко не всегда, а без ущерба для экологии вообще крайне редко. В связи с этим современное человечество начало уделять пристальное внимание оборудованию по переработке отходов, к которому принадлежат и метантенки. Этим установкам удается извлекать из мусора пользу для окружающей среды.
Рис. 1. Принципиальная схема образования биогаза с использованием метантенка
Рис. 2. Сферический метантенк
Табл. 1. Суточная доза загрузки
Табл. 2. Стадии разложения биомассы
Основная задача метантенков — переработка отходов. Но, в отличие от тех же мусоросжигательных заводов, метантенки дают на выходе полезный продукт — биогаз, который можно впоследствии использовать для промышленных и коммунальных нужд. Как следствие, предотвращается выброс метана в атмосферу, который, являясь парниковым газом, способствует глобальному потеплению. Динамика роста цен на энергоносители и конечность запасов месторождений природного газа также все чаще подталкивают людей к мысли об удобстве получения газообразного топлива из альтернативных источников.
Понятие «метантенк»
В современной литературе все чаще можно встретить также название «метатенк» (т.е. без «н» в середине слова), и даже этимологическое толкование подобного написания: дескать, первая часть происходит от греческого слова «мета», означающего «между, после, через». Такое написание, как очевидно из абсурдности последнего объяснения, является ошибочным.
Широкое распространение оно получило, по-видимому, вследствие более легкого голосового воспроизведения по сравнению с корректным вариантом (сказать «метатенк» намного проще, чем «метантенк»), а также из-за небрежного прочтения нескольких одинаковых букв в разных частях слова (в слове «метантенк» встречаются по две буквы «е», «н» и «т», идущих друг за другом в разном порядке).
Что такое «биогаз»
Биогаз — газ, получаемый метановым брожением биомассы. Биомассой называют любые органические отходы (часть бытового мусора, отходы пищевой промышленности, канализационные стоки) и энергоносители растительного происхождения (дерево, трава, водоросли). Биогаз состоит на 40–87 % из метана, и на 13–50 % из углекислого газа, а также незначительных примесей водорода и сероводорода. После очистки биогаза от СО2 получается биометан. Биометан — полный аналог природного газа, отличие только в происхождении. Выход биогаза зависит от содержания сухого вещества и вида используемого сырья.
Анаэробное сбраживание
Метантенк может быть использован как самостоятельный объект или как звено в цепочке водоочистных сооружений. В качестве самостоятельного объекта метантенки используются для переработки органических отходов. Например, из одной тонны навоза крупного рогатого скота получается 50–65 м3 биогаза с содержанием метана 60 %, из 1000 кг различных растений — 150– 500 м3 биогаза с содержанием метана до 70 %. Максимальное количество биогаза — 1300 м3 с содержанием метана до 87 % — можно получить из тонны жира.
В биогазовых расчетах используется понятие сухого вещества (СВ или английское TS) или сухого остатка (СО). Вода, содержащаяся в биомассе, газа не дает. На практике из 1 кг сухого вещества получают от 300 до 500 л биогаза. Кроме отходов, биогаз можно производить из специально выращенных энергетических культур, например, из силосной кукурузы, и водорослей. Выход газа может достигать 500 м3 из 1 т.
В масштабах города метантенк может быть использован как звено в цепочке водоочистных сооружений. В метантенк подается обычно смесь сырого (свежего) осадка из первичных отстойников и избыточный активный ил из вторичных отстойников после аэротенков. Активный ил создается из взвешенных частиц в сточной жидкости, не задержанных первичным отстойником, и адсорбируемых коллоидных веществ с размножающимися на них микроорганизмами.
Для поддержания требуемого режима сбраживания надлежит предусматривать загрузку осадка в метантенки, как правило, равномерную в течение суток. Одним из наиболее важных параметров, определяющих скорость процесса и производительность анаэробных реакторов, является температура. Выделяют три основных диапазона температур и, соответственно, три группы бактерий, которые обеспечивают биологическое разложение:
Анаэробное разложение происходит, как правило, в мезофильном и термофильном режимах. Чем выше температура, тем быстрее происходят процессы брожения, поэтому термофильный режим в этом случае более производителен. Однако, для того, чтобы использовать термофильный режим, необходимо поддерживать более высокую температуру, что повышает энергозатраты.
Поэтому чаще всего используется все-таки мезофильный режим. Определение вместимости метантенков производится в зависимости от фактической влажности осадка по суточной дозе загрузки, принимаемой для осадков городских сточных вод по табл. 1, а для осадков производственных сточных вод — на основании экспериментальных данных. Разложение подготовленной биомассы происходит под действием специальных анаэробных бактерий (в зависимости от используемой технологии) в три стадии (см. табл. 2).
Эффективность процесса анаэробного сбраживания оценивается по степени распада органического вещества, количеству и составу образующегося биогаза, которые, в свою очередь, определяются химическим составом осадка, а также основными технологическими параметрами процесса: доза загрузки метантенка и температура, концентрация загружаемого осадка.
Кроме того, существенную роль играют такие факторы как режим загрузки и выгрузки осадка, система его перемешивания и др. После сбраживания выделяющая смесь газов поступает на очистку и постобработку, после чего готова к подаче потребителю.
Конструкция
Принципиальная схема образования биогаза с использованием метантенков представлена на рис. 1. Общий алгоритм таков: сначала биомасса подготавливается (необходим специальный уровень кислотности, влажность и т.д.). Для этого используются особые емкости гомогенизации, оснащенные мешалками. Затем биомасса помещается в закрытую емкость (реактор), где происходит анаэробное (т.е. безкислородное) разложение биомассы при строго определенной температуре (около 35 °C).
Если метантенк ориентирован на работу с осадками сточных вод и активным илом, большое значение имеет способ подачи осадка в метантенк, а также выгрузка непригодного «сырья» из метантенка. Дело в том, что в осадках сточных вод довольно существенную долю составляют механические частицы (песок), которые откладываются в метантенке, уменьшая полезный объем.
С точки зрения режима подачи осадков наиболее рациональной является эксплуатация метантенков по прямоточ-ной схеме (см. рис. 1), при которой загрузка и выгрузка осадков происходит одновременно и непрерывно (или с минимальными перерывами). Такой режим создает благоприятные температурные условия в метантенке, т.к. исключается охлаждение бродящей массы вследствие залповых поступлений более холодных сырого осадка и избыточного ила.
Кроме того, такой режим обеспечивает равномерность газовыделения в течение суток. Осадок подают в верхнюю зону метантенка, а выгружают из самой нижней точки днища. Максимальное удаление друг от друга трубопроводов подачи и выгрузки предотвращает попадание несброженного осадка в выгружаемую массу и, как уже говорилось, позволяет замедлить процесс накопления песка, который вместе с осадком из первичных отстойников попадает в метантенк.
Вследствие того, что газ поступает из сооружения неравномерно, целесообразно на тупиковых концах сети устраивать аккумулирующие газгольдеры (англ. gasholder, от gas — газ и holder — держатель), которые выравнивают давление газа в сети. Для приема газа из метантенков используют так называемые мокрые газгольдеры, каждый из которых состоит из резервуара, заполненного водой, и одного (колокол) или двух (колокол и телескоп) подвижных звень-ев для хранения газа, перемещающихся на роликах по направляющим.
При заполнении газом пространства под колоколом последний всплывает, перемещаясь вертикально вверх по направляющим, входит в зацепление с телескопом, поднимает его и продолжает перемещаться под давлением поступающего газа. Колокол и телескоп опираются на направляющие с помощью верхних и нижних роликов. Когда вес колокола с телескопом уравновешивается противодавлением газа, подъем колокола прекращается.
Благодаря этому при изменении объема газа под колоколом давление в газгольдере и газовой сети остается постоянным. Для увеличения давления газа колокол догружают специальными грузами.
Подогрев
Энергию для подогрева исходного сырья получают от сжигания газа, полученного в этом же метантенке. В случае с достаточно сухим и подготовленным сырьем, таким как биомасса, достаточно водяного подогрева. В отличие от схемы с использованием биомассы, осадки сточных вод чаще всего подогревают не водой, а острым паром. Острый (перегретый) пар — это пар, имеющий температуру выше температуры насыщения при том же давлении.
Пар низкого давления с температурой 110–112 °C подается во всасывающую трубу насоса при подаче и перемешивании осадка или непосредственно в метантенк через паровой инжектор. Инжекторы устанавливаются в каждом метантенке. Забирая в качестве рабочей жидкости осадок из метантенка и подавая смесь его с паром снова в метантенк, паровой инжектор обеспечивает и подогрев осадка и частичное перемешивание бродящей массы. В метантенках тепло расходуется:
Тепловой поток D [Вт], необходимый для подогрева сырого осадка, определяется по формуле: D = Qc(t – to), где Q — расход осадка, кг/ч; с — удельная теплоемкость осадка, принимаемая равной 4,2 кДж/(кг⋅K); t — расчетная температура в метантенке, K; to — температура сырого осадка, поступающего в метантенк, K. При термофильном процессе сбраживания возрастает расход пара для подогрева осадка.
Для уменьшения общего расхода пара может быть применен предварительный подогрев осадка в скрубберной установке или каком-либо другом специальном теплообменнике. Для обеспечения равномерного подогрева всего осадка и перемешивания вновь поступившей порции со сброженной частью применяют искусственное перемешивание с помощью циркуляционных насосов, насоса с гидроэлеватором или пропеллерными мешалками. Осадок целесообразно перемешивать в течение 2–5 ч в сутки.
Теплоизоляция
Теплоизоляция купола метантенков выполняется из различных теплоизолирующих материалов. Например, на Курьяновской станции аэрации газои теплоизоляция железобетонного перекрытия метантенков выполнена из 4– 5 слоев перхлорвиниловой массы, уложенной по всей его поверхности и покрытой цементной стяжкой. Далее идет слой шлака толщиной 500 мм, прикрытый цементной стяжкой, а затем — трехслойная рулонная кровля.
В качестве утеплителей могут быть использованы пенополиуретан, минеральная вата, стекловолокно. Для сокращения затрат на теплоизоляцию стенок метантенка применяют обваловку ре-зервуара грунтом, либо используют дополнительные ограждающие конструкции, создающие воздушную прослойку между несущей и утепляющей стенками метантенка.
Теплопотери через стенки метантенков определяются по СНиП, а через стенки, заглубленные в грунт, по формуле: Q1 = KуF(tв – tн), где Q1 — теплопотери, Вт; Kу — условный коэффициент теплопередачи, кВт/ (м2⋅K); F — площадь соответствующей зоны стенки, м2; tв — температура внутренней стенки, K; tн — температура наружной стенки, K. Величина Kу зависит от заглубления рассчитываемой зоны стенки и при глубине от поверхности земли до 2 м принимается равной 0,464; от 2 до 4 м — 0,232 и от 6 м и выше — 0,0696 кВт/ (м2⋅K).
Форма резервуара
Размер и габариты метантенков могут различаться в зависимости от конкретно поставленной задачи. В настоящее время разработаны типовые проекты метантенков полезным объемом от 2 м3 и диаметром до 20 м. Для крупных очистных станций разработаны индивидуальные проекты метантенков с полезным объемом 6000–8000 м3. Так, объем каждого резервуара метантенков на очистной станции Могден (Англия) равен 3800 м3, в Буффало (США) — 5660 м3, в Детройте (США) — 8500 м3.
Кроме крупномасштабных метантенков, решающих проблемы целого города, все большее распространение стали получать так называемые бытовые метантенки. С их помощью можно не только перерабатывать отходы, но и обеспечивать владельцев биогазом для нужд отопления, приготовления пищи, нагрева воды и освещения.
Одновременно с этим в процессе биологической, термофильной, метангенерирующей обработки органических отходов образуются экологически чистые, жидкие, высокоэффективные органические удобрения, содержащие минерализованный азот в виде солей аммония (наиболее легко усваиваемая форма азота), минерализованные фосфор, калий и другие, необходимые для растения биогенные макрои микроэлементы, биологически активные вещества, витамины, аминокислоты, гуминоподобные соединения, структурирующие почву.
Одна тонна таких биоудобрений по своему эффекту на растение эквивалентна 80–100 т исходного навоза или других органических веществ. Форма рабочей части метантенка, как правило, бывает цилиндрической с конусовидным верхом и низом (наиболее распространенная), и сферической. С точки зрения теплопотерь стенок сферическая форма является более выгодной. Однако, при больших объемах метантенков, это конструктивно сложно осуществить.
Поэтому цилиндрическую форму используют в основном при строительстве крупных установок. Таковы, например, метантенки на Курьяновской станции аэрации с перекрытием в форме полусферы. В верхней части перекрытия метантенка расположена горловина. Поверхность бродящей массы всегда находится выше основания горловины, вследствие чего площадь свободного зеркала в метантенках значительно сокращается.
При уменьшении этой площади увеличивается интенсивность газовыделения на единицу площади, что способствует разбиванию корки. При этом площадь горловины резервуара назначается исходя из нагрузки по объему выходящего газа — 700–1200 м3/м2 в сутки. Для сбора газа на горловине метантенка установлены газгольдеры. Давление газа в них составляет 3–3,5 кПа.
Отечественный опыт показывает, что отношение диаметра метантенка к его глубине должно находиться в пределах 1:1–1:0,8. В конструкции метантенков Курьяновской станции аэрации также предусмотрены трубопроводы, расположенные на разных отметках по высоте ме-тантенка. Первоначально эти трубопроводы предназначались для удаления иловой воды и выгрузки сброженного осадка с разных уровней.
Однако, при высоких дозах загрузки, характерных для метантенков Курьяновской станции, расслоения осадка в них не происходит, и иловая вода не отделяется. Поэтому в настоящее время эти трубопроводы используются в основном для отбора проб с разных уровней и замера температуры по разрезу метантенка. Сферическая форма может быть использована для бытовых приусадебных метантенков.
На рис. 2 показана схема такого метантенка. Метантенк представляет собой герметичный резервуар 1 шарообразной формы, внутри которого к верхней его части прикреплена не доходящая до днища резервуара 1 коаксиальная концентрическая перегородка 2, разделяющая резервуар 1 на внешнюю 3 и внутреннюю 4 камеры сбраживания. Перегородка 2 выполнена в виде усеченного конуса с обращенным вниз основанием.
Сверху над резервуаром 1 находится газосборная горловина 5, во внешнюю камеру 3 встроен патрубок подачи разжиженных органических отходов 6 с разнонаправленными отводами 7, а во внутреннюю камеру 4 — патрубок отвода сброженного осадка 8. Над внешней камерой 3 установлен патрубок отвода биогаза 9, а над внутренней камерой 4 и ее газосборной горловиной 5 — биогазоотводящий патрубок 10.
Прикрепленными снизу к резервуару стойками 11 метантенк установлен на фундамент 12. Свежие разжиженные и измельченные органические отходы влажностью 93±4 % по патрубку 6 под напором вводят во внешнюю камеру 3, где разнонаправленными из тройника 7 струями перемешивают с содержимым камеры 3.
Всплывающие при этом трудносбраживаемые легкие включения, содержащие целлюлозу, лигнин (одеревеневшие стенки растительных клеток), жиры, белки и другие вещества, перемешиваются со сбраживаемой в камере 3 массой и обсеменяются содержащимся в ней симбиозом расщепляющих (гидролизующих) микроорганизмов, обеспечивающих в первой фазе анаэробного сбраживания разрушение сложных соединений на более простые с образованием из них во второй фазе сбраживания при pH (1) (36429) (0)
GardenWeb
Метантенки
Метантенк представляет собой цилиндрический железобетонный резервуар с коническим днищем, предназначенный для сбраживания осадка. Для ускорения процессов брожения в метантенке используют подогрев осадка и его перемешивание. Осадок подогревают обычно до температуры 33 или 53 °С острым паром, подаваемым в метантенк с помощью эжектирующих устройств.
Кроме того, осадок можно подогревать в теплообменных аппаратах вне метантенка. Перемешивают осадок либо с помощью насосов, забирающих его из нижней части камеры и подающих в верхнюю часть, либо гидроэлеваторами с насосами или специальными мешалками.
Обычно в метантенки подается смесь сырого осадка из первичных отстойников и уплотненного избыточного активного ила из вторичных отстойников. Допускается подача в метантенки и других сбраживаемых органических веществ после их дробления (отбросов с решеток, домового мусора, промышленных отбросов органического происхождения и т. п.).
Процессы брожения осадка в метантенках в основном аналогичны таким же процессам в двухъярусных отстойниках, но в результате искусственного повышения температуры и перемешивания распад сложных органических веществ идет значительно быстрее. Нормальные условия для брожения создаются в щелочной среде. Минерализация органических веществ осадка и ила в процессе брожения сопровождается выделением продуктов распада в газ и в иловую воду.
Ход распада органических веществ зависит в основном от дозы загрузки по объему и продолжительности сбраживания. Доза загрузки — один из важнейших технологических параметров, определяющих степень распада органических веществ в метантенке. Она выражается в процентах и показывает, какую часть объема ме-тантенков составляет суточный объем загружаемого осадка.
Продолжительность сбраживания, сут, является обратной величиной дозы загрузки. Так, при дозе загрузки 8% продолжительность сбраживания составляет 13,5 сут.
По конструктивным признакам метантенки бывают с неподвижным незатопленным и подвижным перекрытием.
Наибольшее распространение в отечественной практике получили метантенки с неподвижным незатоплен-ным перекрытием. На рис. 1 представлена конструкция метантенка Курьяновской станции аэрации: диаметр 24 м, общая глубина 19,6 м и полезный объем 5200 м3, перекрытие полусферическое, диаметр горловины 4 м, ее высота 2,5 м. Газо- и теплоизоляция бетонного перекрытия метантенков выполнены из четырех-пяти слоев пер-хлорвиниловой массы, уложенной по бетону и покрытой цементной стяжкой. Затем уложен слой шлака толщиной 50 см, также покрытый цементной стяжкой, а сверху— трехслойной рулонной кровлей. В этих метантенках осадок перемешивают мешалками либо гидроэлеватором, а подогревают острым паром.
Газ, образующийся в метантенке, можно использовать в качестве топлива в котельных установках. При неполном использовании выделяющегося газа давление его в метантенке увеличивается, что может вызвать прорыв водяного затвора, находящегося в газовом колпаке. Гораздо опаснее обратное явление, т.е. образование вакуума внутри метантенка и засасывание в газовое пространство воздуха, который в смеси с газом может образовать горючую взрывоопасную смесь. Давление газа регулируют с помощью мокрого газгольдера, который поддерживает в газовой линии и внутри метантенка давление 0,2 м вод. ст.
Наиболее рациональной является эксплуатация ме-тантенков по прямоточной схеме, при которой загрузка и выгрузка осадка происходят одновременно и непрерывно. Такой режим создает благоприятные температурные условия в метантенке, так как исключается охлаждение бродящей массы от залповых поступлений более холодного сырого осадка и ила, и обеспечивает равномерное газовыделение в течение суток. Осадок подается через дозирующую камеру в верхнюю зону метантенка и выгружается из конусной части днища.
За рубежом получила распространение двухступенчатая обработка осадка в метантенках: первая ступень выполняется в виде закрытых подогреваемых метантен-ков, вторая ступень часто представляет собой открытые неподогреваемые метантенки. На второй ступени осадки не сбраживаются, а уплотняются, и твердая часть отделяется от иловой воды. Сбраживание в двухступенчатых метантенках не имеет преимущества в степени распада беззольного вещества по сравнению с одноступенчатыми метантенками равного объема, но позволяет примерно вдвое уменьшить объем осадка за счет удаления иловой воды. Двухступенчатое сбраживание обеспечивает более устойчивый процесс в условиях неравномерного притока сточных вод на станцию.
Двухступенчатые метантенки рекомендуется проектировать для районов со среднегодовой температурой воздуха не ниже 6 °С и при ограниченности территории для размещения иловых площадок. Метантенки первой ступени рассчитывают как метантенки, работающие в мезо-фильных условиях, а второй ступени — по суточной дозе загрузки 4%. Последние должны оборудоваться механизмами для сгребания образующейся корки.
Метантенки второй ступени представляют собой земляные резервуары, облицованные бетоном или камнем. Глубина резервуаров при небольших их размерах 3—5, при больших — 5—12 м. Осадок подается рассредоточений на половину глубины, а выпуск уплотненного осадка производится с нескольких уровней и со дна. Влажность выгружаемого осадка 92—94%.
В районах со среднемесячной температурой воздуха самого холодного месяца года около —5 °С может быть применено одноступенчатое сбраживание в открытых метантенках без подогрева. Такие метантенки по проекту Союзводоканалпроекта построены и эксплуатируются в Таджикской ССР на очистных сооружениях пропускной способностью 30 тыс. м3/сут.
Как уже указывалось, осадок в метантенках подогревается различными способами. В отечественной практике наибольшее распространение получил способ подогрева острым паром. Пар низкого давления с температурой 100—110 °С подается во всасывающую трубу насоса, который перекачивает осадок в метантенк, или пар подается в метантенк с помощью инжектирующих устройств. Пар смешивается с осадком, конденсируется и нагревает его.
Широко применяется подача пара пароструйным инжектором. Инжекторы устанавливают в галерее управления по одному агрегату на каждый метантенк. Забирая в качестве рабочей жидкости осадок из метантенков и подавая смесь этой жидкости и пара снова в метантенк, паровой инжектор обеспечивает и подогрев осадка, и частичное перемешивание бродящей массы. В зимний период инжектор работает 11 —13 ч, а летом 3—4 ч в сутки. Перегретый пар целесообразно подавать в дозирующую камеру. При температуре подогрева осадка в камерах 70—80 °С происходит его дегельминтизация, что является обязательным условием в технологическом процессе обработки осадков на современных станциях.
Перемешивают осадок циркуляционными насосами с гидроэлеваторами или пропеллерными мешалками. Осадок целесообразно перемешивать в течение 5—10 ч в сутки. Гидроэлеваторы надежны в эксплуатации, но имеют низкий коэффициент полезного действия, поэтому их применяют только для метантенков объемом до 1700 м3.
Метантенки большего объема оборудуют пропеллерными мешалками.
Для транспортирования газа из метантенков устраивают специальную газовую сеть. Так как газ поступает из сооружения неравномерно, целесообразно на тупиковых концах сети устраивать аккумулирующие газгольдеры, которые выравнивают давление газа в сети.
Аэробная стабилизация осадков. Проведены исследования по аэробной стабилизации осадков. Осадки длительное время продуваются воздухом в сооружениях, устраиваемых по типу аэротенков. Такой вид обработки рекомендуется для уплотнения активного ила или его смеси с осадком первичных отстойников на городских станциях аэрации пропускной способностью до 50 тыс. м3/сут. Особенно перспективно применение аэробной стабилизации на станциях с небольшим расходом сточных вод при невысокой концентрации взвешенных веществ в воде. В этом случае значительно упрощается схема станции, так как из нее исключаются первичные отстойники. Единственным осадком, образующимся на станции, является избыточный активный ил, минерализацию которого осуществляют в аэробных условиях в минерализаторах.
Продолжительность аэрации неуплотненного активного ила принимается 3—5 сут, смеси его и осадка первичных отстойников — 6—7 сут, смеси осадка и уплотненного активного ила— 10—12 сут (при температуре 20 °С). Расход воздуха на аэробную стабилизацию составляет 1—2 м3/ч на 1 м3 объема стабилизатора в зависимости от концентрации осадка. После аэробной стабилизации осадок уплотняется. Продолжительность уплотнения не более 5 ч. Влажность уплотненного осадка 96,5—98,5%. Осадок, стабилизированный в аэробных условиях, гораздо легче обезвоживается, чем анаэробно сброженный.
Гипрокоммунводоканалпроектом по рекомендациям НИИ коммунального водоснабжения и очистки воды разработаны типовые проекты станций биологической очистки с аэробной стабилизацией осадка. ВНИИ Водгео разработал новый модифицированный метод аэробной стабилизации, обеспечивающий стабильность и лучшие свойства осадка при некотором сокращении продолжительности процесса.
Главными контролирующими величинами, характеризующими работу метантенков, являются выход газа и его состав, летучие жирные кислоты (ЛЖК), рН, общая щелочность, запах сбраживаемого осадка. В нормальном режиме эксплуатации метантенков с мезофильным режимом сбраживания существуют оптимальные диапазоны этих параметров.
Продуцирующийся газ содержит в среднем: метана — 65— 70%, углекислоты — 25—30%. В небольших количествах имеется также кислород — до 0,3%, окись углерода 2—4, азот — до 1, гидрокарбонаты— до 1,5 и сероводород. Выход газа, нормируемый в общем около 1 г на 1 г распадающегося вещества (СНиП П-32-74), зависит от температуры брожения и времени обработки осадков (от дозы загрузки). Эти два фактора поддаются управлению и могут считаться регулируемыми параметр а-м и процесса сбраживания.
Для мезофильного режима сбраживания максимальный выход газа при температуре —33 °С составляет по объему 700—900 л на 1 кг распавшегося беззольного вещества при времени обработки 25—27 суток. При понижении температуры до 30 °С время обработки составляет около 30 суток, при температуре 25 °С — 34— 35 суток и т. д. С учетом предела технического распада беззольного вещества при мезофильном брожении оптимальный выход газа с 1 кг поступающей органической массы загрязнений в целом составляет 400—500 л. При этом теплотворная способность газа характеризующая его качество, должна быть в пределах 5700—6200 ккал/м3. Если время процесса сбраживания увеличить, то есть уменьшить дозу загрузки, процесс метанообразования пройдет более глубоко, что выразится в большей доле метана в составе газовой смеси и, следовательно, повысит теплотворную способность газа.
Таким образом, регулирование работы метантенков, в частности с мезофильным режимом сбраживания, заключается в варьировании температуры и дозы загрузки с целью наиболее экономичного ведения процесса с заданной глубиной распада органических веществ при изменении нагрузок на сооружения.
Исходя из максимального выхода газа время сбраживания осадков в мезофильных условиях должно составлять около 27 суток при доведении температуры до предела жизнедеятельности мезофильной микрофлоры — 33—35 °С.
Оптимальное ведение процесса мезофильного сбраживания достигается при следующих условиях. Вначале нужно максимально сгустить осадок (избавиться по возможности от большего количества воды, являющейся балластом в процессе сбраживания); произвести непрерывную загрузку метантенков или хотя бы выполнять эту операцию как можно чаще; поддерживать постоянной максимальную температуру (35 °С) независимо от колебаний температуры сырого осадка и окружающей среды; тщательно перемешивать загружаемый осадок с бродящей массой и весь объем бродящей массы; стараться держать постоянной нагрузку по органическим веществам на активную анаэробную микрофлору, не допуская попадания токсических веществ. Исходя из таких условий разработаны и нормы проектирования метантенков согласно СНиП П-32-74 с параметрами высоконагруженного мезофильного анаэробного процесса, которые требуется выдерживать в эксплуатационном режиме.
Требование максимального сгущения до концентрации не менее 15 г\л осадка, подаваемого на анаэробное сбраживание, обусловлено заданным пределом распада органических веществ, достигаемым за возможно короткое время. На рис. 19, а представлена зависимость величины распада органических веществ (беззольных) в процентах от первоначальной концентрации при различной зольности осадка, а на рис, 19, б—зависимость нагрузки на метантенк при различной влажности осадка от дозы загрузки. Из этих графиков видно, что оптимальный режим сбраживания при длительности процесса 9—14 суток требует меньшей зольности и влажности осадка. Следовательно, оптимальная эксплуатация метантенков всецело зависит от эффективности работы песколовок и первичных отстойников. Причем очень важно, чтобы в первичных отстойниках было хорошее уплотнение осадка. Пунктирными линиями на оси абсцисс отмечен интервал оптимальных значений дозы загрузки (времени пребывания осадка в метантенке). В практическом диапазоне зольности осадка 25—30% распад беззольного вещества отвечает теоретическому значению и составляет около 40%; в диапазоне значений влажности осадка, предусмотренном в СНиП П-32-74,— 93—97% рабочая нагрузка на метантенк в оптимальном режиме составляет 3,3—4,7 кг/мР-сут, что также отвечает теоретическому диапазону для мезофильного сбраживания сырого осадка (без доставки избыточного ила).
Таким образом, основой поддержания оптимальных параметров эксплуатации метантенков прежде всего является успешная работа сооружений, в которых образуются осадки и формируется состав. Только комплексный подход к технологии эксплуатации может дать желаемый эффект.
Согласно рис. 20 в оптимальном режиме выход газа от сбраживания сырого осадка (при температуре 30 °С) составляет 0,57—0,68 м3/кг по беззольному веществу. Однако эти данные получены на очистных станциях при обработке хозяйственно-бытовых сточных вод. Для городских стоков со значительной долей промышленных сточных вод практически выход газа может быть еще меньше. На рис. 1 представлены результаты исследований А. А. Карпинского, проведенных на Курьяновской станции аэрации в Москве.
Сбраживание смеси сырого осадка с активным илом подчиняется всем приведенным закономерностям. Избыточный активный ил, имеющий значительно более высокую влажность, чем сырой осадок, разбавляет его, и эффективность процесса сбраживания при этом понижается. На рис. 1 кривые, ограничивающие диапазон, относятся к смеси активного ила с сырым осадком в пропорциях соответственно 0,8:1 и 1,1:1, а кривая 3 характеризует процесс сбраживания работы метантенков и всецело зависит от работы комплекса биохимической очистки. Изменения количеств удаляемого избыточного ила должны обязательно учитываться в регулировании дозы загрузки метантенков и температуры. Особенно важно при этом регулирование работы ило-уплотнителей.
Если возрастает расход избыточного ила, увеличивается нагрузка на илоуплотнители. Чтобы уплотненный ил поступал в метантенк с постоянным расходом и как можно меньшей влажности, необходимо иметь резервный илоуплотнитель, работающий обычно с пониженной нагрузкой и используемый для сглаживания пиковых расходов избыточного ила.
Обычно зольность ила, удаляемого из комплексов с высоко- и средненагруженными аэротенками, не должна превышать 30%. В среднем эта величина должна составлять 22—26%. Ил с большей зольностью следует обрабатывать отдельно методом аэробной стабилизации, а обезвоживать его можно вместе со сброженным осадком.
Для нормальной эксплуатации метантенков требуется поддержание постоянной оптимальной нагрузки с соблюдением таких необходимых условий протекания процесса, как постоянство дозы загрузки и температуры. Но все эти условия неотделимы от требования интенсивного перемешивания среды, необходимого для наиболее полного контакта бактериальной массы с питанием, однородности температурных условий в объеме метантенка, обеспечения нормального удаления газов как продуктов реакции и предотвращения образования корки на поверхности бродящей массы. Интенсивное постоянное перемешивание дает возможность также сглаживать колебания нагрузок и неравномерностей загрузки метантенков сырым осадком.
Успешная эксплуатация метантенков может быть нарушена попаданием веществ, токсически влияющих на анаэробную микрофлору: ионов тяжелых металлов (меди, никеля, цинка), избытка ионов аммония, сульфидов, цианидов, фенолов, высококонцентрированных поверхностно-активных веществ (ПАВ). Поэтому при нарушениях работы метантенков, но при благоприятных главных условиях протекания процесса нужно произвести химический анализ указанных ингредиентов.
Иногда даже при внешне благоприятных условиях протекания процесса сбраживания могут быть резкие кратковременные изменения рН, нагрузки и температуры, обусловленные случайными факторами. Такие колебания бывает трудно уловить в ходе эксплуатации, но знать о их возможности необходимо.
Давление газа в подкупольной части метантенка должно быть 0,015—0,02 кг/см2, при большем давлении срабатывает клапан, обеспечивающий выход газа в горловину, свечу или газопровод. Нельзя допускать заполнения газового пространства у газопровода плотной коркой осадка, а также скопления конденсата в газопроводе. Это может образовать затор, создающий условия повышения давления в колпаке. Для контроля регулярно измеряют давление газа над поверхностью бродящей массы.
Иловая вода, скапливающаяся над поверхностью осадка в ме-тантенке, должна систематически удаляться, так как ее чрезмерное скопление повышает влажность сброженного осадка.
При появлении запаха сероводорода в сброженном осадке следует улучшить условия щелочного брожения, добавить известковое молоко, усилить перемешивание и плавно повысить температуру до 35 °С. Резкое изменение температуры может привести к усиленному коркообразованию.
Поступление токсических веществ с сырым осадком увеличивает концентрацию ЛЖК, понижает соответственно рН, способствует сильному пенообразованию и выделению зловонных запахов. В таких случаях, если известкование, усиленное перемешивание с добавкой повышенных количеств свежего сырого осадка не дадут положительного эффекта, полностью заменяют содержимое метантенка сброженным осадком из других метантенков, а при выходе из строя всех метантенков производят новую наладку, выяснив причину аварии.
Причиной повышенного содержания в газовой смеси углекислого газа может быть поступление больших количеств неразла-гаемых веществ или осадка с повышенной зольностью.
Метантенки с термофильным и комбинированным режимами.
Термофильный анаэробный процесс сбраживания обеспечивается специфичной микрофлорой, функционирующей только в диапазоне температуры 50—55 °С, поэтому перевести метантенки на этот режим путем простого повышения температуры нельзя. Для этого нужно осуществить полный цикл наладки технологического процесса с выращиванием и накоплением необходимого запаса термофильной микрофлоры.
Скорость термофильного процесса сбраживания и глубина распада органических веществ выше скорости мезофильного, однако ввиду повышенного удельного расхода тепла этот процесс менее экономичен в эксплуатации. Кроме того, после термофильного сбраживания осадок очень плохо поддается обезвоживанию на иловых площадках, и это обстоятельство нужно особенно учитывать при переводе метантенков на термофильный режим сбраживания. Если возникает такая необходимость, например, с целью интенсификации работы перегруженных метентенков с мезофильным режимом или в связи с повышенными требованиями дегельминтизации осадка, то рекомендуется оборудовать цех механического обезвоживания сброженного осадка, в частности на фильтр-прессах.
В целом техника и методы эксплуатации метантенков с термофильным режимом сбраживания отличаются от эксплуатации метантенков с мезофильным режимом количественными характеристиками рабочих параметров: более высокими выходами газа, дозой загрузки (СНиП П-32-74) и степенью распада беззольного вещества. На рис. 22 представлены некоторые основные параметры термофильного процесса сбраживания, необходимые для его регулирования. Так же, как и при мезофильном процессе (см. рис. 1), избыточный активный ил отрицательно влияет на параметры сбраживания, поэтому перед подачей на смешивание с сырым осадком его уплотняют по возможности сильнее.
Оптимальный диапазон нагрузок на термофильные метантен-ки применяют в пределах 5—6 кг/ж3 в сутки для смеси не более 0,45:1, распад беззольного вещества достигает в среднем 46%. Если в термофильных условиях сбраживать только сырой осадок, нагрузка может достигать 8 кг/м3 в сутки. Если вести термофильный процесс сбраживания при нагрузках, соответствующих мезофильному (около 4 кг/лг3 в сутки), эффект распада органических веществ может достигать 50% и более (см. рис. 2). Удельный выход газа незначительно возрастает, однако растет его общее количество.
Следовательно, при переводе эксплуатируемых метантенков на термофильный режим сбраживания можно уменьшить общий выход твердой фазы сброженного осадка, хотя он и будет характеризоваться плохой влагоотдачей.
Преимущества термофильного процесса сбраживания проявляются при комбинированной схеме эксплуатации метантенков, в которой сначала сырой осадок или его смесь с избыточным активным илом сбраживается в мезофильном режиме, затем после отделения и удаления (на аэротенки) иловой воды осадок направляется на термофильное сбраживание.
Комбинированные (ступенчатые) схемы обработки осадков используются и с мезофильным сбраживанием на обеих ступенях, причем метантенки второй ступени можно не обогревать, выдерживая в них осадок со временем обработки 2—4 суток при слабом перемешивании или без него, чтобы он отделился от иловой воды. Такой метод можно использовать при условии, если на очистной станции есть резервные емкости метантенков.
В метантенки второй ступени рекомендуется подавать холодную воду, чтобы подавить процесс метанового брожения, отмыть от осадка коллоидные вещества и подготовить его таким образом к более эффективному обезвоживанию.
В двухступенчатой схеме нагрузку на первую ступень можно повысить на 10—15%, или до 5 кг/.и3 в сутки, соблюдая все требования ведения высоконагруженного мезофильного процесса. Часть осадка, выпускаемого из метантенка второй ступени (без иловой воды), направляют обратно в метантенк первой ступени, так как это обогатит микрофлору, работающую в режиме мезофильного сбраживания и улучшит влагоотдающие свойства сброженного осадка.
Комбинированные схемы работы метантенков пока мало изучены, но обладают рядом существенных преимуществ. Применение их в практике эксплуатации дает возможность обобщить и систематизировать опыт для дальнейшего его широкого распространения.
Эксплуатация газгольдеров заключается в ежедневном учете количества поступающего и расходуемого газа и обеспечении бесперебойной работы всех узлов сооружений.
Одним из наиболее частых и опасных нарушений работы газгольдера может быть заклинивание колокола. Причины таких нарушений заключаются в деформации направляющих, неправильной установке роликов, плохой их смазке и других конструктивных дефектах.
Для того чтобы колокол плавно и правильно поднимался вверх при заполнении газгольдера газом и не было заклинивания колокола, верхние ролики должны размещаться на крыше колокола равномерно по всему периметру. Нижние ролики, установленные по низу каждого подвижного звена, должны двигаться по внутренним направляющим, прикрепленным к поверхностям стенок резервуара. Система внутренних и внешних направляющих обеспечивает восприятие нагрузок, действующих на газгольдер, от ветра, снега и т. д.
Для предотвращения замерзания воды в резервуаре газгольдера в зимнее время нужно следить за подогревом ее до температуры не ниже +5 °С.
При заполнении газгольдера газом должна быть обеспечена определенная глубина гидрозатвора. Она предусматривается с учетом возможности перекоса подвижного звена, запаса высоты в случае образования волн на наружной поверхности воды в гидрозатворе и запаса глубины для предотвращения просачивания газа через воду над прокладкой в нижней части гидрозатвора.
Нижний гидрозатвор колокола, выходя из резервуара, зачерпывает воду. Когда гидрозатвор входит в зону газового пространства, газ вытесняет воду из внутренней полости в наружную на общую высоту, равную заданному давлению газа.
В крышке колокола установлен манометр в виде изогнутой трубки по уровню воды, по которому можно следить за нормальным ходом подъема колокола. Заклинивание и задержка при подъеме вызывают дополнительное давление и сопротивление.
Метантенк представляет собой цилиндрический или прямоугольный железобетонный резервуар с коническим днищем, предназначенный для сбраживания осадка. На рис. 240 представлена одна из простейших конструкций метантенка. Впуск свежего ила производится по трубе в верхнюю часть метантенка, осадок выпускается снизу по иловой трубе.
В метантенках в отличие от двухъярусных отстойников получающийся в результате брожения газ собирается в газовом колпаке, расположенном в верхней части газонепроницаемого перекрытия, откуда отводится для его дальнейшего использования. В этой конструкции метантенка газонепроницаемость перекрытия обеспечивается слоем иловой воды, которую наливают на перекрытие. При пуске свежей порции ила иловая вода выдавливается через отверстия в перекрытии, излишняя иловая вода отводится за пределы метантенка по иловым лоткам.
Для ускорения происходящих в метантенке процессов брожения применяют различные приемы, к числу которых относятся подогрев ила и его перемешивание. Подогрев ила производят обычно до температуры 30 — 37° при помощи ввода в иловую камеру перегретого пара или горячей воды.
Перемешивание ила производят либо при помощи насосов, забирающих ил из нижней части камеры и подающих его в верхнюю часть, либо гидроэлеваторами совместно с насосами, или же специальными мешалками. Процессы брожения ила в метантенках в основном аналогичны процессам в двухъярусных отстойниках, однако в результате искусственного повышения температуры и перемешивания процессы распада сложных органических веществ идут значительно быстрее. Нормально процесс брожения происходит в щелочной среде.
Количество образующихся газов (метана и углекислоты) зависит от количества и состава осадка, а интенсивность их выделения — от температуры брожения и режима загрузки метантенка свежими порциями ила. При обычно принимаемых температурах брожения (27 — 37°) и загрузке свежей порции ила 4% в сутки от объема метантенка количество выделяемого газа составляет 18 ж3 с 1 м3 загрузки, при 10%-ной загрузке — 12 м3 газа на 1 м3 загрузки.
Различают два типа брожения: мезофильное, происходящее при температуре 25 — 37°, и термофильное, происходящее при температуре 40-55°. На наших отечественных станция, строятся метантенки, в которых процесс брожения идет при температуре 25 — 37°. Термофильный процесс, несмотря на некоторые его преимущества перед мезофильным, не может быть рекомендован для повсеместного применения, так как хорошо изучен только в лабораторных условиях и требует еще длительных испытаний на производственных установках.
Основными факторами, определяющими процесс брожения в метантенках, являются температура брожения и так называемая доза- загрузки, т.е. соотношение между количеством вновь поступающего осадка и количеством зрелого.
Чем выше температура, тем скорее заканчивается сбраживание ила. При температуре брожения 25-37° сбраживание обычно происходит за 25 дней и даже менее, причем количество органического вещества в осадке уменьшается на 40 — 50%. Немаловажным фактором в этом процессе является доза загрузки. При одинаковой температуре процесс сбраживания успешнее происходит при меньших дозах загрузки. Назначение меньших доз загрузки, как это указывалось, приводит к увеличению общего объема метантенков, т.е. к увеличению капита
Метантенки с неподвижным затопленным перекрытием были построены в Москве на Кожуховской станции аэрации (рис. 1).
Наибольшее распространение в отечественной практике получили метантенки с неподвижным незатопленным перекрытием. Такие метантенки, например, построены для Харьковской станции аэрации и в Москве для Люблинской и Курьяновской станций аэрации.
На рис. 2 изображен метантенк, построенный для Люблинской станции. Он представляет собой железобетонный круглый резервуар диаметром 14 м с газонепроницаемым перекрытием. Подача свежего ила производится из дозирующей камеры, расположенной в галерее управления, а выпуск сброженного ила — по выпускным илопроводам самотеком под давлением столба жидкости высотой 1,5 м. Ил в метантенке подогревается острым паром; перемешивание производится при помощи гидроэлеваторов. Гидроэлеваторы надежны в работе; однако к. п. д. всей установки не превышает 15-20%.
На рис. 3 изображен метантенк такого же типа, построенный на Курьяновской станции аэрации. Ил перемешивается в нем пропеллерными мешалками, установленными в вертикальной трубе. При вращении мешалок (от электромотора) происходит непрерывная циркуляция ила. Ил перемешивают 1 раз 3 смену.
Для поддержания постоянства давления газа и предотвращения образования в нем вакуума при выгрузке осадка можно устраивать в метантенке плавающее перекрытие.
Перекрытие состоит из нескольких радиально расположенных ферм, подшитых снизу сплошными газонепроницаемыми металлическими листами.
Опытные метантенки такого типа построены в Ленинграде и Москве.