Метановая стабилизация осадков городских сточных вод

Сравнительная характеристика методов стабилизации осадков городских сточных вод приведена в Приложении №1.

 

2.1. Анаэробная (метановая) стабилизация

Анаэробное  сбраживание  органических  осадков  городских сточных вод применяется для сырых осадков из первичных отстойников, избыточного активного ила или для их смеси. Сброженный осадок направляется на иловые площадки или подвергается механическому обезвоживанию. В процессе метанового анаэробного сбраживания одним из основных продуктов распада органических веществ осадка является газ метан (СН4).

Цель анаэробного сбраживания - стабилизация органических соединений, содержащихся в необработанных отходах. Практически только жиры, белки и углеводы перерабатываемых органических веществ обеспечивают выход газа при анаэробной стабилизации.

Одно из основных преимуществ анаэробного сбраживания — минимальное образование биологически активных твердых веществ. Другие преимущества заключаются в возможности получения полезных конечных продуктов - горючего газа и сброженного ила. Недостатки анаэробной системы - малая скорость роста микробов и очень высокая (по сравнению с аэробной системой) минимально необходимая для стабильного воспроизводства клеток продолжительность пребывания биологически активных веществ в сооружениях (2-6 суток).

Обычно анаэробную стабилизацию применяют для сбраживания осадков первичных отстойников и избыточного активного ила после очистки бытовых вод и их смесей с некоторыми производственными стоками. В большинстве случаев удается получить достаточно стабилизированный  биологически неразлагаемый  после  обезвоживания осадок, горючий газ и жидкий сток, обычно требующий доочистки (например, окислением в аэробных условиях).

 

2.2. Стадии анаэробной стабилизации

В основе биохимического процесса метанового брожения лежит способность сообществ микроорганизмов в ходе своей жизнедеятельности разлагать органическую часть осадков сточных вод.

Анаэробное метановое сбраживание включает 4 взаимосвязанные стадии, осуществляемые разными группами бактерий.

1. Стадия ферментативного гидролиза: происходит расщепление органических загрязнений (белков, углеводов, жиров, целлюлозы) на моносахариды, аминокислоты, жирные кислоты и воду т.е. полимеры превращаются в мономеры. Осуществляется быстрорастущими факультативными анаэробами, оптимальное значение рН для развития этой группы бактерий находится в интервале 6,5-7,5.

2. Стадия кислотогенеза и бета-окисления: происходит дальнейшее преобразование, в результате которого вырабатываются - спирты и кетоны (метанол, этанол, пропанол, бутанол, глицерин и ацетон), кислоты (уксусная, муравьиная, масляная, пропионовая, капроновая и молочная), газы (двуокись углерода, углекислый газ, сероводород и аммиак). Осуществляется быстрорастущими, весьма устойчивыми к неблагоприятным условиям среды гетерогенными бактериями.

3. Стадия ацетогенеза: бактерии создают из органических кислот уксусную кислоту,  двуокись углерода и водород. Осуществляется двумя группами ацетатогенных бактерий.

4. Стадия метаногенеза: уксусная кислота преобразуется метановыми бактериями в метан, двуокись углерода и воду. Осуществляется медленнорастущими бактериями, которые являются строгими анаэробами, весьма чувствительными к изменениям условий среды, особенно к снижению рН менее 7,0-7,5 и температуры.

Рис. 2. Схема анаэробного (метанового) сбраживания осадков:                                                  1 – ферментативные кислотогены; 2 – ацетогены, образующие Н2; 3 – ацетогены, использующие Щ; 4 – метаногены, восстанавливающие СО2; 5 – метаногены, использующие ацетат; I – гидролиз; II – кислотогенез; III – ацетогенез; IV – метаногенез.

 

Особенность метановой стабилизации осадка заключается в том, что все процессы должны протекать в анаэробном реакторе (метантенке) в строго установленном порядке. Любое нарушение одного из промежуточных этапов приводит к нарушению всего процесса.

 

 

3. Метантенк

3.1. Общие положения

Сбраживание осадков в анаэробных условиях (в том числе и осадков после аэробной стабилизации) проводят в метантенке. Рассмотрим устройство, принцип работы, приемы расчета и выбора метантенка.

Метантенк применяется для анаэробного сбраживания осадков сточных вод с целью стабилизации осадков и получения метаносодержащего газа. При этом учитывается объём и состав осадков, наличие веществ, тормозящих процесс сбраживания и влияющих на выход газа.

Метантенк – это сооружение в виде закрытого резервуара емкостью до 7200 м3, в котором в анаэробных условиях (без доступа воздуха) с искусственным подогревом производится биологическая переработка (сбраживание) осадка и избыточного активного ила, которые образуются в результате очистки сточных вод.

В качестве побочного продукта в метантенке выделяется газ (10-16 м3 на 1 м3 осадка), преимущественно метан (СН4), теплотворной способностью 5000-6000 ккал/м3, используемый на подогрев бродящей массы или в качестве топлива в котельной установке.

Метантенк оборудуется приспособлениями для подачи сырого осадка и отвода сброженного осадка и газа, перемешивания и подогрева бродящей массы. Перемешивание осуществляется с помощью насосов, пропеллерных мешалок, гидроэлеваторов, а подогрев – горячей водой или паром.

Метантенк может быть открытого типа или закрытого типа (последний тип метантенка – с жестким или плавающим перекрытием). В сооружении с неподвижным жестким перекрытием (рис. 3) уровень бродящей массы поддерживается выше основания горловины, так как в этом случае зеркало массы мало, велика интенсивность отвода газов и не образуется корка. Для ускорения процесса массу перемешивают и подогревают до температуры 30-40°С (при мезофильном режиме) или до температуры 50-60°С (при термофильном режиме) острым паром низких параметров (0,2-0,46 МПа). Основная циркуляция в метантенке осуществляется пропеллерной мешалкой.

Рис. 3. Метантенк:                                                                                                                               1 - газовый колпак для сбора газа; 2 - газопровод от газового колпака; 3 - пропеллерная мешалка; 4 - трубопровод для загрузки (например, сырого осадка и активного ила);                 5 - трубопроводы для удаления иловой воды или выгрузки сброженного осадка с разных уровней; 6 - инжектор подачи острого пара для подогрева содержимого метантенка и перемешивания; 7 - трубопровод выгрузки суспензии твердофазных продуктов сбраживания (например, сброженного осадка); 8 - циркуляционная труба; 9 - трубопровод для опорожнения метантенка.

 

Объём метантенка (Vм) определяют по суточному количеству предназначенной для сбраживания массы (М, м3/сут):

где D - суточная доза загружаемого осадка, % от объема сооружения; D зависит от термического режима обработки и влажности загружаемого осадка.

Типовой метантенк имеет полезный объём одного резервуара 1000-8000 м3. Условно этот объем можно разделить на четыре выполняющие разные функции части: 1 - объем для образования плавающей корки; 2 - объем для иловой воды; 3 - объем для собственно сбраживания; 4 - объем для уплотнения и дополнительной стабилизации осадка при хранении (до 60 суток).

Основными конструктивными элементами метантенков, выполняющими определенные технологические функции, являются: система подачи осадков на сбраживание и выгрузки стабилизированного осадка; система подогрева; система перемешивания бродящей массы; система сбора и отвода выделяющегося газа.

Система подачи и выгрузки осадков. В различных конструкциях метантенков подача осадка на сбраживание может осуществляться через общую для всех метантенков загрузочную камеру или насосом непосредственно в каждый метантенк. 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. Кроме того, при постоянной выгрузке сброженной массы из нижней части удается замедлить процесс накопления песка, который вместе с осадком из первичных отстойников попадает в метантенк.

Система подогрева осадков. В практике подогрев осадка наиболее часто осуществляют острым паром. Пар низкого давления с температурой 110-112°С 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.

Система перемешивания бродящей массы. Перемешивание бродящей массы обеспечивает ее однородность во всем объеме метантенка. С помощью циркуляционных насосов осуществляется циркуляция бродящей массы со дна в верхнюю часть метантенка. Наличие в конструкции метантенка конусного днища предотвращает образование мертвых зон. Перемешивание ведется до тех пор, пока не произойдет полный обмен бродящей массы.

В некоторых конструкциях метантенков для перемешивания используются пропеллерные мешалки, устанавливаемые под уровнем осадка, в трубе, расположенной в центральной части метантенка.

Использование принципа газолифта для перемешивания осадка предполагает забор осадка из-под купола метантенка или из газгольдера и введение его через вертикальные трубки в метантенк. Увеличение глубины подачи газа при одинаковом его расходе повышает эффективность перемешивания.

Система сбора и отвода газа. Для сбора газа на горловине метантенка устанавливают газовые колпаки, от которых прокладывается специальная газовая сеть из стальных труб с усиленной противокоррозионной изоляцией.

В процессе сбраживания осадков выделение газа происходит неравномерно. Для поддержания постоянного давления в газовой сети на тупиковых концах ее устанавливают аккумулирующие газгольдеры. Мокрый газгольдер состоит из резервуара, заполненного водой, и колокола, перемещающегося на роликах по вертикальным направляющим линиям. Вес колокола уравновешивается противодавлением газа. Благодаря этому при изменении объема газа под колоколом давление в газгольдере и газовой сети остается постоянным. Образующийся в метантенках газ используют как топливо. При невозможности сбора газа предусматривают его сжигание, используя специальное устройство — газовую свечу.

Расчет метантенка заключается в вычислении количества образующихся на станции осадков, выборе режима сбраживания, определении требуемого объема метантенка и степени распада беззольного вещества осадка.

Выбор режима сбраживания (например, термофильный режим) следует производить на основании технико-экономических расчётов, санитарно-эпидемиологических требований и способов дальнейшей обработки осадков.

Рассмотрим один вариант сбраживания осадка - при термофильном режиме.

 

 

 

3.2. Расчет метантенка при термофильном  режиме  сбраживания

По заданию требуется рассчитать метантенк с термофильным режимом сбраживания, если расход осадка Qос = 500 м3/сут, влажность осадка 96%, количество беззольного вещества осадка 71%, состав органического вещества осадка – жиры Сfat = 0,3 г/г, углеводы Cgl = 0,44 г/г, белки Сprt = 0,12 г/г.

Принимаем сбраживание при термофильном режиме: t = 53ºС.

Выбираем дозу загрузки по табл. 2: принимаем суточную дозу смеси, загружаемой в метантенк при влажности 96%: Dmt = 18%.

Рассчитываем объём метантенка по формуле:

Принимаем по табл. 3 количество метантенков n = 3 с диаметром D = 12,5 м и с полезным объёмом каждого метантенка Vф = 1000 м3 по типовому проекту      № 902-2-227: высота верхнего конуса Нвк= 1,9 м; высота цилиндрической части Нц= 6,5 м; строительный объём нижнего конуса Ннк= 2,15 м3.

Рассчитываем фактическую дозу загрузки:

Таблица 2

Доза смеси, загружаемой в метантенк

Режим сбраживания	Суточная доза смеси (Dmt, %), загружаемой в метантенк, при влажности смеси (Wmud, %) не более
	93	94	95	96	97
Мезофильный	7	8	8	9	10
Термофильный	14	16	17	18	19

* Примечание: если значение  суточной дозы менее чем табл. 2 для заданной влажности осадка, то объём метантенка необходимо откорректировать с учётом дозы загрузки; если значение суточной дозы равно или превышает значения табл. 2 – корректировка не требуется.

Рассчитываем максимально возможное сбраживание (или распад) беззольного вещества Rlim загружаемой смеси осадков по формуле:

Таблица 3

Конструктивные характеристики метантенка

№ типового проекта	Диаметр, D (м)	Полезный объём одного метантенка, (м3)	Высота, (м)		Строительный объём
			верхнего конуса, Нвк	цилин-дрической части, Нц	нижнего конуса, Ннк	здания обслужи-вания	газового киоска
902-2-227	12,5	1000	1,9	6,5	2,15	652	100
902-2-228	15,0	1600	2,35	7,5	2,6	2035	112
902-2-229	17,5	2500	2,5	8,5	3,05	2094	136
902-2-230	20,0	4000	2,9	10,6	3,5	2520	174
Ново-Курьяновская станция	18,0	6000	3,15	18,0	3,5	2700	170
Люберецкая станция	22,6	8000	4,45	16,3	3,7	2000	170