Метантенки на очистных сооружениях

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:

• Ферментативный гидролиз.
• Кислотообразования.
• Ацетогенная.
• Метаногенная.

Возможно три режима работы метантенков:

• психрофильный – при температуре до 200°С
• мезофильный – при температуре 33°C;
• термофильный – при температуре t = 53°C.

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:

• рН = 7,0 — 7,5;
• содержание жирных летучих кислот 3 — 8 мг экв/ л;
• содержание щелочей 70 — 76 мг экв /л;
• содержание аммонийных солей азота 600 — 800 мг/л.

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:

• в периодическом;
• непрерывном;
• полунепрерывном.

Эффект сбраживания в метантенках

Есть и другие факторы, влияющие на эффект сбраживания:

• тяжелые металлы (кобальт, медь, никель), а также хром и сернистые соединения оказывают ингибирующие действие на процесс анаэробного сбраживания.
• перемешивание загрузки метантенка производится для того чтобы: предотвратить образование мертвых зон, расслоение осадка, образование корки, отложение песка, а также с целью эффективного использования всего объема метантенка, выравнивания температуры и концентраций метаболитов (промежуточных субстратов).

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):

1. Одноступенчатая (низконагружаемые метантенки);
2. Двухступенчатая (иногда называется многоступенчатой) – в этом случае в качестве первой ступени устанавливается метантенк, работающий в мезофильном режиме, а в качестве второй – открытый (на нем осуществляется обезвоживание и уплотнение осадка). Преимуществами такой схемы является: отсутствие расслоения осадка и отделения иловой воды.

Выделяют следующие возможные конструкции метантенков:

• с куполообразным перекрытием (жестким);
• с плавающим перекрытием;
• открытые.

Независимо от конструкции схема метантенка будет включать в себя:

• резервуар,круглый или прямоугольный в плане, с коническим днищем;
• перекрытие;
• колпак – располагается над перекрытием. Здесь собирается и впоследствии удаляется газ;
• системы перемешивания;
• системы обогрева;
• системы отведения и сброса биогаза;
• системы подачи и вывода осадка;
• системы рециркуляции и отвода иловой воды.

Зоны метантенка принято делить на зону уплотнения и зону сбраживания.

Для автоматизации метнтенка устанавливаются приборы контроля:

1. Прибор, определяющий загазованность воздуха.
2. Прибор, контролирующий температуру.
3. Диафрагма, измеряющая расход полученного газа.
4. рН-метр.
5. Прибор, измеряющий давление, чаще всего манометры с мембранными разделителями.
6. Прибор, измеряющий расход осадка, чаще ультразвуковые расходомеры.
7. Прибор, измеряющий уровень осадка.

Интенсификация работы метантенка ведется в двух напрявлениях:

1. Совершенствование конструкции (чаще с целью совмещения всех стадий сбраживания в одном сооружении).
2. Исследование и создание условий, наиболее благоприятных для микроорганизмов, участвующих в процессе анаэробной стабилизации.

МЕТАНТЕНКИ –утилизация отходов с пользой

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» Метантенк — железобетонный резервуар для биологической переработки (сбраживания) с помощью бактерий и других микроорганизмов в анаэробных условиях (без доступа воздуха) органической части осадка сточных вод и других органических отходов, в результате которой выделяется биогаз. Термин «метантенк» (или, реже, «метантанк») происходит от соединения двух слов, описывающих его назначение и конструкцию, а именно: метан (т.е. газ) и tank (в переводе с английского «бак, цистерна»). 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 интересно, чаще всего в технических материалах встречаются сразу оба варианта. Неправильный вариант выносится в основном в заголовок, а в текст включается верное написание. Этим грешат даже законодательные акты. Пример из «Инструкции по безопасной эксплуатации очистных сооружений предприятий нефтеперерабатывающей промышленности (утв. Минтопэнерго РФ)», введенной в действие 1 июля 1995 г.» (тут, правда, наоборот: в заголовке — верно, а в тексте ошибка): «4.3. Метантенки … 4.3.3. Метан — горючий газ, образующийся при сбраживании осадков сточных вод в метатенках, не имеет сильного запаха и в два раза легче воздуха». Пример c сайта ruspravo.org. 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: ❏ психофильный режим (до 20 °C); ❏ мезофильный режим (от 25 до 45 °C); ❏ термофильный режим (от 50 до 65 °C). 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: ❏ на непосредственный подогрев загружаемого осадка до необходимой расчетной температуры; ❏ на возмещение потерь тепла, уходящего через стенки, днище и перекрытие метантенка; ❏ на возмещение потерь тепла, уносимого с уходящими газами. Тепловой поток D , 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 < 7,2 более плотных кислот и аминокислот, которые стекают из камеры 3 вниз в камеру 4, где при более высоком значении pH осуществляется завершающая фаза последующего анаэробного сбраживания с образованием биогаза с большим содержанием метана. Отвод менее калорийного биогаза из внешней камеры 3 и более богатого метаном биогаза из внутренней камеры 4 производится через патрубки 9 и 10. Поступление биогаза снизу вверх в камере 4 обеспечивает эффективное перемешивание сбраживаемой массы, создает у основания газосборной горловины 5 постоянно «кипящую» поверхность жидкости, препятствуя тем самым образованию «корки» и способствуя при этом досбраживанию легких частиц массы и поглощению из биогаза углекислоты и сероводорода, используемых в сбраживаемой массе на формирование симбиоза микроорганизмов, осуществляющих в метантенке анаэробное сбраживание органики. Практические примеры В заключении хотелось бы еще раз сказать пару слов о большой практической значимости метантенков: ведь благодаря ним появилась воз-можность превращать отходы в реальную энергию. В качестве примера преведем опыт зарубежных коллег. Компания CH Auburn Energy, LLC, специально созданное дочернее предприятие компании CH Energy Group, Inc., заключила 15-летний контракт на частичное обеспечение города Оберна (штат Нью-Йорк) электроэнергией, вырабатываемой электростанцией мощностью 3 МВт. Эта электростанция в Оберне, которую планирует построить и эксплуатировать компания CH Auburn Energy, будет работать на муниципальных мусорных отходах и продуктах переработки местной водоочистной станции. Проект подразумевает также установку метантенка для аэробного сбраживания и переработки образующегося при очистке воды осадка в газ, что позволит производить дешевую электроэнергию и продавать ее для нужд города. Вырабатываемой новой электростанцией электроэнергии будет достаточно для обеспечения электричеством примерно 2500 домашних хозяйств. Заключенный контракт позволит городским жителям значительно сэкономить на оплате электроэнергии. После 15 лет эксплуатации станции компанией CH Auburn Energy городские власти будут иметь возможность ее полностью выкупить. Станция будет расположена в непосредственной близости от городской водоочистной станции и мусорной свалки в промышленном пригороде Оберна. Из российского опыта нельзя не отметить уже неоднократно упоминавшуюся в статье Курьяновскую станцию аэрации, на которой в январе этого года состоялась торжественная церемония пуска тепловой электростанции, работающей на биологическом топливе — биогазе, выделяемом в метантенках. Это событие можно назвать прорывным: впервые в России биологический газ, получаемый способом анаэробного сбраживания осадков сточных вод, применяется в столь крупных масштабах для выработки электроэнергии. Пока что это всего лишь мини-ТЭС, которая, вырабатывая 10 МВт электроэнергии и 8 МВт тепла, позволит обеспечить лишь потребности собственных очистных сооружений, да и то лишь на 70 %. Но и это уже большое достижение, поскольку, во-первых, снижается нагрузка на городскую энергосистему Москвы, а во-вторых, если эксперимент признают удачным, подобная установка будет сооружена на Люберецкой станции аэрации. ❏ Источники: dnepr-desna.dp.ua, vsestroi.ru, solidwaste.ru, nestor.minsk.by, bio.1september. ru, clickpilot.ru, cultinfo.ru, stroyremportal.ru, watermagazine.ru, vz.ru, chemport.ru, meganet. md/its/ru/reg/form.html, wikipedia.org

Расчет метантенков

⇐ ПредыдущаяСтр 11 из 13

Суточный расход жидкости, отделяемой при уплотнении смеси осадка из первичных отстойников и избыточного активного ила, м3/сут:

где Q – суточный расход смеси осадка из первичных отстойников и избыточного активного ила исходной влажности, Q = 5591,6 м3/сут;

W1 – усредненная исходная влажность смеси осадка из первичных отстойников и избыточного активного ила, W1 = 99,48%;

W2 – влажность уплотненной смеси осадка из первичных отстойников и избыточного активного ила, W2 = 97 %.

Суточный расход сбраживаемой смеси осадка из первичных отстойников и избыточного активного ила, м3/сут:

Суммарный рабочий объем метантенков, м3:

здесь Д – суточная доза загружаемой уплотненной смеси осадка из первичных отстойников и избыточного активного ила, Д = 10 %.

Число рабочих метантенков, шт.:

где V1 – рабочий объем одного метантенка , V1 = 5000 м3 (типовой проект 902-5-17.86, резервуар метантенков объемом 5000 м3 ).

Принимаем n = 2 шт.

Число резервных метантенков, шт.:

Принимаем nр = 1 шт.

Общее число метантенков, шт.:

Расход осадка из первичных отстойников по сухому веществу, т/сут:

где С – концентрация взвешенных веществ в сточной воде, поступающей в первичные отстойники (табл. 7.), С = 125,6 мг/л;

Э – эффективность задержания взвешенных веществ в первичных отстойниках (табл. 7.), Э = 63 % = 0,63;

kвв – коэффициент, учитывающий увеличение объема осадка за счет крупных фракций взвешенных веществ, не учитываемых при отборе проб воды на анализ, kвв = 1,1;

Qсв – суточный расход сточных вод (табл.1), Qсв = 108725 м3/сут.

Расход осадка из первичных отстойников по беззольному веществу, т/сут:

Здесь WоГ – гигроскопическая влажность осадка из первичных отстойников, WоГ = 10 %;

Зо – зольность осадка из первичных отстойников, Зо = 25 %.

Расход избыточного активного ила по сухому веществу, т/сут:

где Lо – величина БПКполн поступающих в аэротенк сточных вод (табл. 7.), Lо = 125,6 мг/л;

b – вынос взвешенных веществ из вторичных отстойников (табл. 7.), b= 15 мг/л.

Расход избыточного активного ила по беззольному веществу, т/сут:

где WиГ – гигроскопическая влажность избыточного активного ила, WиГ=15 %;

Зи – зольность избыточного активного ила, Зи = 30 %.

Количества беззольного вещества в смеси осадка из первичных отстойников и избыточного активного ила, т/сут:

Предел сбраживания смеси осадка из первичных отстойников и избыточного активного ила, %:

Здесь ао – предел сбраживания осадка из первичных отстойников, ао = 53 %;

аи – предел сбраживания избыточного активного ила, аи = 44 %.

Удельный выход газа при сбраживании смеси осадка из первичных отстойников и избыточного активного ила, м3/кг:

где k – коэффициент зависящий от влажности сбраживаемой смеси осадка из первичных отстойников и избыточного активного ила и режима сбраживания, k = 0,4.

Суммарный выход газа от сбраживания смеси осадка из первичных отстойников и избыточного активного ила, м3/сут:

Диаметр трубопровода для отвода газа от метантенков, м:

где vГ – скорость движения газа в трубопроводе, vГ = 4 м/с.

Принимаем DГ = 0,05 м.

Диаметр трубопровода отвода газа от одного метантенка, м:

Принимаем dГ = 0,05 м.

Диаметр трубопровода подачи смеси осадка из первичных отстойников и избыточного активного ила к метантенкам, м:

Здесь v’тр – скорость движения уплотненной смеси осадка из первичных отстойников и избыточного активного ила в трубопроводе, v’тр= 3 м/с.

Принимаем Dк = 0,1 м.

Диаметр трубопровода подачи смеси осадка из первичных отстойников и избыточного активного ила в один метантенк, м:

Принимаем Dтр = 0,1 м.

Влажность сброженной смеси осадка из первичных отстойников и избыточного активного ила, %

где Wо – влажность сброженного осадка из первичных отстойников, Wо = 92 %;

Qо – суточный расход осадка из первичных отстойников, Qо = 206 м3/сут;

Wи – влажность сброженного избыточного активного ила, Wи = 94 %;

Qи – суточный расход избыточного активного ила, Qи = 26388,5 м3/сут;

Q – суточный расход смеси осадка из первичных отстойников и избыточного активного ила, Q = 26594,5 м3/сут.

Расход жидкости, отделяемой в процессе сбраживания смеси осадка из первичных отстойников и избыточного активного ила, м3/сут:

Расход сброженной смеси осадка из первичных отстойников и избыточного активного ила, м3/сут:

Диаметр трубопровода, отводящего сброженную смесь осадка из первичных отстойников и избыточного активного ила на дальнейшую обработку, м:

где vос – скорость движения сброженной смеси осадка из первичных отстойников и избыточного активного ила в трубопроводе, vос = 0,1 м/с.

Принимаем Dос = 0,3 м.

Диаметр трубопровода, отводящего сброженную смесь осадка из первичных отстойников и избыточного активного ила на дальнейшую обработку от одного метантенка, м:

Принимаем dос = 0,2 м.

Диаметр трубопровода для отвода воды, отделяемой в процессе сбраживания смеси осадка из первичных отстойников и избыточного активного ила от метантенков и подачи ее на очистные сооружения, м:

Здесь vж – скорость движения жидкости в трубопроводе, vж = 3 м/с.

Принимаем Dж = 0,15 м.

Диаметр трубопровода для отвода воды, отделяемой в процессе сбраживания смеси осадка из первичных отстойников и избыточного активного ила от одного метантенка, м:

Принимаем dж = 0,15 м.

Расчет метантенков.

Определяем суточный объём всех видов осадков :

Определяем сухое вещество всех видов осадков :

кг/сутки ;

— коэффициент , учитывающий увеличение объёма осадка за счет крупных фракций взвешенных веществ, = 1,1…1,2 .

Определяем влажность смеси осадков

Р;

влажность РСМ = 100 — Р1СМ ;

ос = 1000 кг/м 3 = 1 т/м3 .

По СНиП табл. 59 выбираем режим сбраживания и дозу загрузки . Если в стоках имеются ПАВ величину суточной дозы загрузки Dmt необходимо проверить по формуле 110 ( СНиП) .

Определяем объём метантенка

WMET = .

Определяем процент распада беззольного вещества

Rr = Rlim — KrDmt , где

Rlim — max возможное сбраживание беззольного вещества загружаемого осадка , % определяемое по п. 6.353 СНиП ;

Kr — коэффициент , зависящий от влажности осадка , принимается по табл.61 СНиП .

Определяем влажность осадка после метантенка

%.

8.Определяем газовыделение

Г = , м3/сутки .

Rr — распад беззольного вещества.

Бз — беззольное вещество осадка.

— 1 кг/м3 ( 1000 если GСУХ взято в т/сутки ) .

Количество выделяемого газа :

WГ = , м3/час .

10.Определяем объем газгольдера:

W= WГ. ( 2 …4 ) , м3.

Конструкции метантенков.

Метантенк представляет собой герметичный резервуар , цилиндрической формы с коническим днищем с подвижным или неподвижным перекрытием в верхней части которого имеется колпак для сбора газа.

МЕТАНТЕНК С ПЛАВАЮЩИМ ПЕРЕКРЫТИЕМ (ПОДВИЖНЫМ) .

Газов.колпак

ферма

ограничитель

корпус

газ

пар

осадок

сбр.осадок

перемеш

Подвижное перекрытие состоит из:

металлической фермы ;

покрытия теплоизоляцией ;

слой толя по металлическому листу ;

бруски;

рабочий настил из досок ;

защитный настил из досок ;

битум ;

8. рубероид .

Люк для отбора проб

Люк-лаз

Достоинства : 1. Взрывобезопасность , 2. Возможность регулирования загрузки и выгрузки осадка (по положению плавающего перекрытия) .

Недостатки : 1. Из-за большого зеркала бродящей массы создаются благоприятные условия для образования корки . 2. При низкой температуре воздуха затрудняется движение плавающего перекрытия по направляющим ролика (обмерзание) . Поэтому эта конструкция метантенка не нашла широкого применения. Наибольшее распространение получил метантенк с неподвижным перекрытием.

метантенк с неподвижным перекрытием.

ГАЗ

1.Метантенк.

2.Насос.

3.Колодец — дозатор.

В верхней части перекрытия метантенка расположена горловина D= 4 м и высотой 2,5м (метантенк D = 24 м ) . Поверхность бродящей массы всегда выше основания горловины , поэтому площадь зеркала воды значительно меньше . Это приводит к интенсивному газовыделению и способствует разбиванию корки .

Для сбора газа на горловине метантенка установлены газовые колпаки D =3,8м.Давление газа в них 3…3,5 КПа .

На основании опытных данных отношение D к его глубине находится в пределах 1 :1 , 1: 0,8 .

Газо- и теплоизоляцию бетонного перекрытия метантенков выполняют из четырёх- пяти слоёв перхлорвиниловой массы , уложенной по бетону и покрытой цементной стяжкой. Затем идет слой шлака = 50 см , цементная стяжка и самый верхний — трёхслойная рулонная кровля .

Наиболее рационально загрузку и выгрузку осадка производить одновременно и непрерывно.

Осадок подаётся через дозирующую камеру в верхнюю зону метантенка и выгружается из конусной части днища .

Достоинства : 1. Благоприятные температурные условия т.к. исключается залповое поступление холодного сырого осадка . 2. Равномерность газовыделения .

Перемешивание осадка осуществляется с помощью гидроэлеватора . Он надежен в эксплуатации , но имеет низкий КПД , поэтому применяется в метантенках вместимостью до 1700 м3 .

Метантенки большой емкости оборудуются пропеллерными мешалками .

Типовые метантенки имеют полезный объём от 500 до 800 м3 (D 12,5…22,6м). Секция метантенков состоит из 4-х резервуаров , здания обслуживания , киоска газовых приборов, проходного туннеля ( кроме D 12,5 м ) .

Кран-балка

Газы брожения

На аэробн. обработку

сток

От пульсатора

Очищен. ст. вода

илоотделитель

Трубопровод

рециркуляции

Газы брожения

АНАЭРОБНО-АЭРОБНЫЙ БИОРЕАКТОР БАШЕННОГО ТИПА.

ДВУХСТУПЕНЧАТЫЕ МЕТАНТЕНКИ .

I ступень — интенсивное брожение органических веществ , сопровождается

бурным газовыделением и перемешиванием осадка .

II ступень- затухание газовыделения , расслоение осадка — выполняет функцию

илоуплотнителя .

Назначение

Метантенк является одним из важных элементов очистных сооружений. В отличие от аэротенков в них поступает, не сама сточная жидкость, а концентрированный осадок, выпадающий в отстойниках.

Биологические методы очистки основаны на окислении органических остатков с использованием микроорганизмов. Неперегнивший осадок не может быть утилизован. В метантенках органические остатки переводятся в незагнивающую форму без доступа кислорода. Первые эксперименты по метановому брожению канализационных отходов начались в конце XIX века. В середине 1920-х годов началась промышленная эксплуатация метантенков в Германии, Великобритании, США и СССР

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.

Промышленные метантенки, конструкции и процессы, происходящие в них

Метантенки являются совершенными сооружениями для сбраживания осадков. Сокращение сроков сбраживания в них за счет искусственного подогрева приводит к значительному уменьшению объема сооружений. В настоящее время метантенки широко применяются в отечественной и зарубежной практике.

Метантенк представляет собой цилиндрический железобетонный резервуар с коническим днищем и герметическим перекрытием, в верхней части которого имеется колпак для сбора газа, откуда газ отводится для дальнейшего использования. Осадок в метантенке перемешивается и подогревается с помощью особых устройств.

В зависимости от температуры, при которой происходит брожение, различают два типа процесса — мезофильное сбраживание, происходящее при температуре 30—35°С, и термофильное сбраживание, происходящее при температуре 50—55°С (рис. 5.35).

Рис. 5.35. Зависимость продолжительности сбраживания осадка от температуры брожения

За рубежом в основном применяется мезофильный процесс. У нас наряду с мезофильным сбраживанием широкое распространение получил термофильный процесс. Термофильное сбраживание отличается большей интенсивностью распада органических веществ и заканчивается примерно в 2 раза быстрее, за счет чего вдвое сокращается требуемый объем сооружений.

При термофильном сбраживании достигается полная дегельминтизация осадка, тогда как в условиях мезофильных температур погибает лишь 50—80% яиц гельминтов.

Основным преимуществом мезофильного сбраживания является обеспечение процесса теплом, получаемым от сжигания газов брожения. Подогрев осадка до термофильных температур, особенно в зимнее время, требует дополнительного расхода топлива, что влечет за собой увеличение эксплуатационных затрат.

Осадок, сброженный в термофильных условиях, значительно труднее обезвоживается, чем осадок, сброженный при мезо- фильном процессе, поэтому выбор температурного режима брожения должен производиться с учетом принятой схемы дальнейшей обработки осадка .

На современных очистных станциях сбраживанию обычно подвергается смесь сырого осадка и активного ила. Минерализация органических веществ осадка и ила в процессе брожения сопровождается выделением продуктов распада в газ и иловую воду и приводит к значительным изменениям в химическом составе сброженной смеси. Общий объем бродящей смеси практически не изменяется, а так как сухое вещество в результате распада уменьшается, влажность осадка в процессе брожения возрастает. Возрастает и зольность, поскольку зольная часть осадка при сбраживании остается неизменной, а сухое вещество уменьшается.

Эффективность работы метантенков оценивается по величине распада беззольного вещества, который подсчитывают либо по выходу газа Рг, либо по убыли беззольного вещества Рбз. В первом случае массу газа выражают в процентах от массы загруженного беззольного вещества. Распад по газу показывает, какая часть беззольного вещества в процессе брожения превратилась в газ. Значение Рбз подсчитывают по данным анализа загруженного и выгруженного осадков на влажность и зольность. Убыль беззольного вещества выражают в процентах от массы загруженного беззольного вещества. Величины Рг и Рбз могут совпадать или значительно отличаться друг от друга. Для высоконагружаемых метантенков Рг обычно больше Рбз- Обратное соотношение Рбз > Рг характерно для низконагружаемых метантенков с длительным периодом сбраживания, когда значительная часть продуктов распада после окончания газовыделения поступает в иловую воду.

Выход газа при сбраживании в метантенках обусловливается распадом только жиров, белков и углеводов, составляющих основную массу беззольного вещества осадков.

Родигер на основании обобщения обширных литературных данных и многочисленных экспериментов по сбраживанию углеводов, жиров и белков, присущих городским канализационным осадкам, показал, что состав и удельный выход газа при распаде каждого компонента осадка различны (табл. 5.24).

Таблица 5.24

Масса и состав газа, выделяющегося при анаэробном сбраживании углеводов, жиров и белков

Компоненты осадка	Удельный выход газа, мл/г	Состав газа, %		Плотность газа, г/м3, при нормальных условиях	Масса газа, г, получаемого с 1 г распавшегося вещества
		сн4	со2
Углеводы				1,25 • 103	0,985
Жиры				1,05 • 103	1,31
Белки				о о	0,71

Наибольшая масса газа образуется при распаде жиров, наименьшая — при распаде белков. Поскольку в составе активного ила преобладают белки, выход газа при его сбраживании оказывается меньшим, чем при сбраживании осадка из первичных отстойников .

Образующийся в метантенках газ состоит в основном из метана — 60—67% и угольной кислоты — 30—33%, содержание водорода не превышает 1—2%, азот составляет около 0,5%. Высокое содержание метана в газе обусловливается распадом жиров и белков. Углеводы дают газ с большим содержанием угольной кислоты.

Установлено, что полного сбраживания беззольного вещества осадка и каждого из его компонентов, независимо от условий сбраживания, в метантенке добиться невозможно. Все они имеют свой предел сбраживания, зависящий от их химического состава.

Установлено, что жироподобные вещества осадков городских сточных вод способны распадаться не более чем на 70%, предел распада углеводов равен 62,5%, белков — 48%. Пользуясь предельными значениями распада компонентов и данными, приведенными в табл. 5.24, а также зная химический состав осадка, можно подсчитать максимально возможный выход газа с 1 г сбраживаемого осадка:

где а — предел сбраживания осадка, %; ж, б, у — содержание соответственно жиров, белков и углеводов в 1 г беззольного вещества сбраживаемого осадка; 1,31,0,71,0,985 — масса газа (г), получаемая с 1 г распавшегося вещества; 0,7, 0,48, 0,625 — пределы сбраживания компонентов, доли единиц.

Состав осадков зависит от состава очищаемой воды, поэтому содержание белков, жиров и углеводов в осадках разных станций изменяется в значительной степени, особенно при поступлении в городскую канализацию производственных сточных вод. В зависимости от химического состава осадков изменяется и предел сбраживания. Например, по данным Академии коммунального хозяйства (АКХ), сырой осадок очистной станции г. Ярославля имеет предел сбраживания 36,6%, а для осадка Тушинской станции аэрации г. Москвы эта величина составляет 51%.

Важным фактором, предопределяющим весь ход распада органического вещества, является доза загрузки. Обычно указываются суточные дозы загрузки по объему и по беззольному веществу. Доза загрузки по объему выражается в процентах. Она показывает, какую часть от объема метантенка составляет суточный объем загружаемого осадка. Доза загрузки по объему Д и продолжительность сбраживания П связаны соотношением П = 100/Д. Доза загрузки по беззольному веществу Дбз — это масса беззольного вещества осадка (кг), подаваемая на 1 м3 объема метантенка в сутки, кг/м3 • сут.

В зависимости от влажности и зольности осадка одной и той же объемной дозе могут соответствовать разные значения доз загрузки по беззольному веществу. Доза загрузки является одним из важнейших технологических параметров, определяющих в совокупности с рядом других факторов степень распада органических веществ в метантенке.

В зарубежной литературе процесс брожения в метантенках часто описывается как обычная мономолекулярная реакция. В отечественной практике для математического описания этого процесса наиболее широко применяются прямолинейная и степенная зависимости степени распада беззольного вещества от дозы загрузки метантенков. Влияние других параметров (влажности, температуры, состава осадка) учитывается введением в уравнение коэффициентов, полученных экспериментально.

На основе обобщения эксплуатационных данных Курьяновской станции аэрации А.А. Карпинский предложил расчетные уравнения и графики (рис. 5.36), связывающие степень распада беззольного вещества Рбз с дозой загрузки Дбз:

где а — величина распада при Дбз = 1; х — экспериментальный коэффициент; а их зависят от температурного режима, влажности и химического состава осадка.

Рис. 5.36. Распад беззольного вещества Р6з в зависимости от дозы его загрузки Д6з:

а — мезофильное сбраживание (сплошные линии — при t = 33°С, пунктирные — при t = 31°С); б — термофильное сбраживание при t = 52°С; 1 — активный ил; 2 — смесь состава 1,1 : 1; 3 — смесь состава 0,8 : 1; 4 — смесь состава 0,45 : 1;

5 — сырой осадок

Аналогичные уравнения и соответствующие им графики (рис. 5.37) связывают массу выделившегося газа с дозой загрузки по беззольному веществу.

Рисунки 5.36 и 5.37 дают наглядное представление об уменьшении распада и интенсивности газовыделения при возрастании дозы загрузки. Устойчивый процесс брожения в метантенках обеспечивает распад беззольного вещества в среднем на 40%.

Академия коммунального хозяйства предложила прямолинейную зависимость:

где у — выход газа, м3 на 1 кг загруженного беззольного вещества (плотность газа принята равной 1); п — экспериментальный коэффициент, зависящий от влажности и температуры брожения (принимается по табл. 5.25); Д — суточная доза загрузки метантенка, % (табл. 5.26).

Графически эта зависимость изображена на рис. 5.38. Прямолинейный характер зависимости нарушается по достижении предельных для каждого температурного режима доз нагрузки.

Рис. 5.37. Выход газа Рбз (л на 1 кг загруженного абсолютно сухого вещества) в зависимости от дозы его загрузки Дбз (экспликацию см. на рис. 5.36)

Рис. 5.38. Зависимость распада беззольного вещества осадка от дозы загрузки метантенка и температуры сбраживания:

1 — t = 32-35°С; 2 — t= 53°С

Таблица 5.25

Значения коэффициента л

Температура сбраживания, °С	п при влажности загружаемого осадка, %
	1,05	0,89	0,72	0,56	0,4
	0,455	0,385	0,31	0,24	0,17

Таблица 5.26

Суточная доза загрузки Д в метантенк, %

Режим сбраживания	Д при влажности загружаемого осадка, %
Мезофильный					И
Термофильный

Геометрия метантенков представлена на рис. 5.39 .

К числу достоинств метантенков с плавающим перекрытием (рис. 5.40) относятся их взрывобезопасность, возможность регулирования загрузки и выгрузки осадка по положению плавающего перекрытия по высоте. Однако применение их ограничено, так как вследствие большого зеркала бродящей массы создаются благоприятные условия для образования корки. Кроме того, при низкой температуре воздуха затрудняется движение плавающего перекрытия по направляющим роликам из-за их обмерзания.

Рис. 5.40. Метантенк с плавающим перекрытием:

• 7 — железобетонный резервуар; 2 — ограничитель; 3 — металлическая решетчатая ферма; 4 — теплоизоляция перекрытия; 5 — слой толя по металлическому листу;
• 6 — бруски; 7 — рабочий настил из досок толщиной 2,5 см; 8 — защитный настил из досок толщиной 1,6 см; 9 — пергамин по битуму; 10 — рубероид (верхний слой); 11 — газовый колпак; 12 — «фартук» перекрытия; 13 — газосборная труба; 14 — газопровод; 15 — трубопровод сброженного осадка; 16 — трубопровод для подачи свежего осадка; 17 — трубопровод для отвода иловой воды; 18 — паропровод; 19 — трубопровод для термометра сопротивления; 20 — трубопровод для перемешивания осадка; 27 — металлическая обшивка; 22 — ролик; 23 — люк для откачки конденсата; 24 — люк-лаз; 25 — люк для отбора проб

Рис. 5.41. Метантенк с неподвижным незатопленным перекрытием:

7 — гидроэлеватор; 2 — выпуск ила

Наибольшее распространение в отечественной практике получили метантенки с неподвижными перекрытиями (рис. 5.41, 5.42).

На рис. 5.42 представлен метантенк диаметром 24 м и общей высотой 19,6 м. Полезный объем метантенка — 5200 м3, перекрытие полусферическое. В верхней части перекрытия метантенка расположена горловина диаметром 4 м и высотой 2,5 м. 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 определяется исходя из нагрузки по объему выходящего газа — 700—1200 м3/м2 в сутки.

Рис. 5.42. Метантенк Курьяновской станции аэрации:

7 — мягкая кровля; 2 — кирпич; 3 — шлак; 4 — смотровой люк; 5 — труба для выпуска газа в атмосферу; б — газопровод (с/ = 200 мм) от газового колпака; 7 — газовые колпаки; 8 — пропеллерная мешалка; 9 — переливная труба; 10 — трубопровод (d = 250 мм) для загрузки сырого осадка и активного ила; 11 — трубопроводы (с/ = 220 мм) для удаления иловой воды и выгрузки сброженного осадка с разных горизонтов; 12 — паровой инжектор (d = 300 мм) для подогрева метантен- ков; 13 — трубопровод (d = 250 мм) для выгрузки сброженного осадка из конусной части метантенка; 14 — термометр сопротивления; 15 — трубопровод (d = 250 мм) для опорожнения метантенка (в футляре)

Для сбора газа на горловине метантенка установлены газовые колпаки высотой 3,8 м. 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.

Газо- и теплоизоляцию бетонного перекрытия метантенков выполняют из четырех-пяти слоев перхлорвиниловой массы, уложенной по бетону и покрытой цементной стяжкой. Далее находится слой шлака толщиной 50 см, также покрытый цементной стяжкой, а сверху — трехслойной рулонной кровлей.

С точки зрения режима подачи осадков наиболее рациональной является эксплуатация метантенков 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 обеспечивается равномерное газовыделение в течение суток.

Осадок подается через дозирующую камеру в верхнюю зону ме- тантенка и выгружается из конусной части днища. Максимальное удаление друг от друга трубопроводов загрузки и выгрузки предотвращает попадание несброже иного осадка в выгружаемую массу.

В конструкции метантенков Курьяновской станции аэрации (см. рис. 5.42) предусмотрены трубопроводы, расположенные на разных отметках по высоте метантенка. 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. Кроме того, вместе с осадком из первичных отстойников в метантенк попадает часть песка, не задержанного песколовками. Тяжелые минеральные части песка осаждаются на дно и при выгрузке с разных отметок постепенно накапливаются в метантенке, уменьшая полезный объем сооружения. Поэтому в настоящее время эти трубопроводы используются в основном для отбора проб с разных уровней и замера температуры по разрезу метантенка.

Осадок в метантенке подогревается различными способами. Подогрев горячей водой и острым паром, циркулирующим в трубчатых теплообменниках, малоэффективен и применяется только для метантенков небольших размеров.

В зарубежной практике получили распространение спиральные теплообменники, обладающие большим коэффициентом теплопередачи, чем обычные трубчатые теплообменники. Указанный способ у нас не испытан.

Повсеместное применение в Российской Федерации получил способ подогрева осадка острым паром. Пар низкого давления температурой 100— 112°С подается во всасывающую трубу насоса при поступлении и перемешивании осадка или непосредственно в метантенк с помощью эжектирующих устройств. Пар может подаваться также в дозирующий приемный колодец.

Пар, смешиваясь с осадком, конденсируется и нагревает его. Наиболее распространена подача пара пароструйным инжектором. Инжекторы устанавливают в камерах 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 подогрев осадка и частичное перемешивание бродящей массы.

В зимний период инжектор работает в течение 11 — 13 ч, а летом — 4 ч в сутки. Максимальный расход пара на один инжектор диаметром 250 мм составляет 1,2—1,5 т/ч. Давление пара в эксплуатационных условиях колеблется от 0,2 до 0,46 МПа.

Целесообразно перегретый пар подавать в дозирующую камеру. При температуре подогрева осадка в камерах 70—80°С происходит дегельминтизация осадка, что обязательно для технологического процесса обработки осадков на современных станциях.

При проектировании метантенков необходимо производить их теплотехнический расчет и определять баланс тепла, получаемого в результате сжигания газа на топливо и расходуемого на возмещение потерь тепла в метантенке и на другие нужды станции. В метантенках тепло расходуется: 1) на непосредственный подогрев загружаемого осадка до необходимой расчетной температуры; 2) на возмещение потерь тепла, уходящего через стенки, днище и перекрытие метантенка; 3) на возмещение потерь тепла, уносимого с уходящими газами.

Тепловой поток D (Вт), необходимый для подогрева сырого осадка, определяется по формуле

где Q — расход осадка, кг/ч; Т — расчетная температура в метантенке, К; Т0 — температура сырого осадка, поступающего в метан- тенк, К; с — удельная теплоемкость осадка, принимаемая равной 4,2 кДж/(кг • К).

Теплопотери через стенки метантенков определяются по СНиП, а через стенки, заглубленные в грунт, — по формуле

где Q{ — теплопотери, Вт; Тв — температура стенки внутри аппарата, К; Тн — температура стенки снаружи аппарата, К; Ку — условный коэффициент теплопередачи, кВт/(м2 • К); F — площадь соответствующей зоны стенки, м2.

Величина Ку 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; от 6 м и выше — 0,0696 кВт/ (м2 • К).

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 в специальных теплообменниках.

Для обеспечения равномерного подогрева всего осадка и перемешивания его 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.

Чтобы уменьшить затраты энергии, чаще применяют перемешивание осадка с помощью гидроэлеватора, который надежен в эксплуатации. Однако коэффициент полезного действия таких установок крайне низок, поэтому их применяют только для ме- тантенков вместимостью до 1700 м3. Метантенки большей вместимости оборудуют пропеллерными мешалками. В частности, такая мешалка установлена в метантенке Курьяновской станции (см. рис. 5.42). Мешалка имеет диаметр 750 мм, производительность 900 л/с, напор 1,15 м и частоту вращения винта 270 мин-1. При такой производительности мешалки ил, заполняющий весь объем метантенка, перемешивается в течение 2 ч.

Дополнительное перемешивание осадка обеспечивается инжектором, движением более холодного загружаемого осадка сверху вниз и за счет выделения пузырьков газа, обеспечивающих движение частиц осадка в противоположном направлении.

Типовые метантенки с коническими перекрытием и днищем имеют полезную вместимость 500—4000 м3.

Секция метантенков состоит из четырех резервуаров, здания обслуживания, киоска газовых приборов и проходного туннеля (метантенки диаметром 12,5 м не имеют проходного туннеля).

Загрузка и выгрузка осадка в резервуары производится одновременно с помощью камер впуска и выпуска, установленных в изолированном помещении, которое относится к категории взрывоопасных . Типовые конструктивные размеры метантенков показаны в табл. 5.27 .

Таблица 5.27

Конструктивные размеры метантенков

Диаметр метантенка, D, м	Полезный объем одного метантенка, м3	Высота, м		Строительный объем, м3
		верхнего конуса «в.к	цилиндрической части, Ни	нижнего конуса «н.к	здания обслуживания	газового киоска
12,5		1,9	6,5	2,15
15,0		2,35	7,5	2,6
17,5		2,5	8,5	3,05
20,0		2,9	10,6	3,5
18,0		3,15	18,0	3,5
22,4		4,45	16,3	3,7

Подготовка осадка к обезвоживанию, складированию, утилизации

Обработка и утилизация осадка в нашей стране – одна из самых острых и актуальных проблем. В настоящее время применяется много различных методов по обработке осадка с целью его последующего использования в хозяйственной деятельности или ликвидации.

При обработке осадка достигаются его стабилизация (или минерализация), обезвоживание (уменьшение объема) и обеззараживание. Применение одного какого-либо метода, как правило, не позволяет решить проблему, и приходится использовать сочетание методов применительно к конкретному составу сточных вод, технологической схеме очистки, условиям эксплуатации очистных сооружений и практической возможности использования осадка. В табл. 13.1 приведены возможности наиболее распространенных методов обработки осадка, которые следует рассматривать как отдельные процессы в схемах полной обработки осадка.

Таблица 13.1

Методы обработки осадка

Метод	Результат обработки
	обезвоживание	стабилизация	обеззараживание
Гравитационное уплотнение	+
Флотация	+
Анаэробное сбраживание:
мезофильное		+
термофильное		+	+
Аэробная стабилизация		+
Компостирование		+	+
Сушка на иловых площадках	+
Вакуум-фильтрация	+
Фильтр-прессование	+
Центрифугирование	+
Тепловая обработка		+	+
Термическая сушка	+	+	+
Сжигание	+	+	+

Для уменьшения объема активного ила, образующегося на очистных сооружениях, его уплотняют. Уплотнение одновременно с уменьшением объема приводит к увеличению удельного сопротивления и, следовательно, к снижению эффективности обезвоживания. Активный ил без уплотнения из-за его малой концентрации обезвоживать нерационально с экономической точки зрения, но учитывая, что его удельное сопротивление при уплотнении возрастает очень резко, следует выбирать оптимальную степень уплотнения. Наиболее распространенным и экономичным методом уплотнения осадка является гравитационное уплотнение в илоуплотнителях различных конструкций. Продолжительность уплотнения от 5 до 15 ч, влажность активного ила после уплотнения составляет 97…98%.

Стабилизация осадка различными методами применяется для предотвращения его загнивания при хранении в естественных условиях, а также для уменьшения объема осадка в результате разложения органического вещества.

Стабилизация или минерализация органического вещества осадка может осуществляться в анаэробных условиях (метановое брожение) и в аэробных условиях (окисление органического вещества бактериями при аэрации осадка воздухом).

Для обработки и сбраживания сырого осадка применяют септики, двухъярусные отстойники (эмшеры), метантенки, аэробные стабилизаторы, иловые площадки.

Септик – это сооружение, где в одной емкости одновременно происходит осветление воды и перегнивание выпавшего из нее осадка. Ввиду крупных недостатков, свойственных этим сооружениям, в настоящее время их применяют только на установках небольшой производительности.

Двухъярусные отстойники, или эмшеры (рис. 13.1), применяют для отстаивания сточной жидкости, сбраживания и уплотнения выпавшего осадка. Благодаря простоте сооружения подобного типа получили большое распространение в практике очистки бытовых сточных вод, главным образом для небольших и средних установок с расходом до 10 тыс. м3/сут.

Двухъярусный отстойник представляет собой сооружение цилиндрической или прямоугольной формы с коническим или пирамидальным днищем. В верхней части сооружения расположены осадочные желоба глубиной до 2 м, а нижняя часть является иловой (септической, сбраживающей осадок) камерой.

Осадочные желоба, по которым протекает сточная вода, выполняют функции горизонтального отстойника и в них происходит выпадение оседающих взвешенных веществ. Выпавший осадок сползает по наклонным стенкам нижней части желоба в щель шириной 0,15 м и падает в иловую камеру. Нижние грани желоба должны перекрывать одна другую примерно на 0,15 м, чтобы всплывающие при перегнивании частицы ила и пузырьки газа не попадали в осадочный желоб.

Впуск воды в осадочный желоб и выпуск из него выполняют так же, как и в горизонтальных отстойниках: в виде водосливных и сборных лотков на всю ширину желоба. В начале осадочной части устанавливают входную полупогруженную доску для равномерного распределения воды по всему сечению, а в конце – выходную для задержания на поверхности воды всплывающих частиц.

Рис. 13.1. Схема двухъярусного отстойника:

1 – отвод перегнившего осадка; 2 – осадочный желоб; 3 – камера ферментации; 4 – корпус отстойника; 5, 7 – подающий и отводящий лотки; 6′ – распределительный лоток

Сброженный ил удаляют из септической камеры снизу (как в вертикальных отстойниках) через иловую трубу под гидростатическим давлением столба воды 1,5 м, считая от центра отверстия иловой трубы до уровня воды.

Обычно двухъярусные отстойники устраивают с двумя желобами. Одиночные желоба применяют при малых диаметрах отстойников (до 5…6 м).

Метантенк – специальное сооружение, служащее для сбраживания осадка при его искусственном подогреве и перемешивании. Он представляет собой цилиндрический или прямоугольный железобетонный резервуар с коническим днищем и герметическим перекрытием, в верхней части которого имеется колпак для сбора газа, откуда он отводится для использования (рис. 13.2). Устройство на очистных станциях сооружений для сбраживания осадка дает возможность уменьшить его количество и подготовить его для дальнейшего использования в качестве удобрения или для утилизации.

Метантенки устраивают с неподвижным затопленным, с неподвижным незатопленным и с подвижным (плавающим) перекрытием. Наибольшее распространение в отечественной практике получили метантенки с неподвижными незатопленными перекрытиями. Перемешивание осадка производят насосами, забирающими ил из нижней части камеры и подающими его в верхнюю часть, гидроэлеваторами или специальными мешалками, или осуществляют с помощью тепловой циркуляции.

Рис. 13.2. Схема метантенка:

1 – корпус; 2, 11 – подача свежего и отвод сброженного осадка; 3 – нагревательные элементы; 4 – центральная труба с мешалкой внутри для циркуляции осадка; 5 – электродвигатель мешалки; 6 – газовый колпак; 7 – уровень осадка; 8 – перелив сточной воды под осадком; 9 – обогревательная печь; 10 – насос для циркуляции теплоносителя; 12 – отражательный диск

На современных очистных станциях в метантенк на сбраживание поступает не только осадок из первичных отстойников, но и избыточный активный ил.

Осадок в метантенке подогревают различными способами: непосредственным впуском в метантенки острого пара, распределением его с помощью эжектирующих устройств; подачей пара во всасывающую трубу насоса, перекачивающего сырой осадок в метантенки; подачей горячей (до 60 °С) воды по теплообменникам, уложенным внутри метантенка, а также комбинированными способами.

Сбраживание осадка в метантенках осуществляется в мезофильном (при 33 °С) или термофильном (53 °С) режиме, что определяется способом дальнейшей обработки осадка. Для нормальной работы метантенков осадок в них должен поступать равномерно и при сбраживании подогреваться до заданной температуры. Количество осадка, подаваемого ежесуточно в метантенки, должно составлять при мезофильном режиме 7…10% объема метантенка, при термофильном режиме – 14…19% в зависимости от влажности сбраживаемого осадка, т.е. продолжительность сбраживания в мезофильных условиях 10…14 сут, в термофильных – 5…7 сут. Величина максимально возможного сбраживания для разного по химическому составу осадка в среднем составляет для осадка первичных отстойников до 53%, для активного ила – до 44%.

При сбраживании осадка в метантенках образуется метансодержащий газ, весовое количество которого составляет примерно 1 г на 1 г разложившегося органического вещества, теплотворная способность – 5000 ккал/м3.

В состав газа входят: метан (до 70%), углекислый газ, азот, водород, оксид углерода. Получаемый газ после соответствующей обработки может использоваться для подогрева метантенков. Термофильное сбраживание требует большего расхода теплоты, а образующийся осадок плохо отдает воду и требует более тщательной подготовки к обезвоживанию, чем осадок, полученный в мезофильных условиях. С другой стороны, при термофильном сбраживании происходит обеззараживание осадка.

Сброженный осадок имеет высокую влажность (95…98%), что крайне затрудняет применение его даже в сельском хозяйстве для удобрения и требует дальнейшего обезвоживания. Наиболее простой способ обезвоживания – подсушивание осадка на иловых площадках, где его влажность может быть уменьшена с 95 до 80…75%.

Основными путями интенсификации технологии анаэробного сбраживания являются оптимизация исходной влажности осадка и нагрузки на метантенки; конструктивное разделение двух свойственных процессу фаз: кислого и метанового брожения – на две и более ступени; повышение температуры сбраживания и улучшение условий перемешивания содержимого метантенков.

При фазовом разделении анаэробного сбраживания на две и более ступеней общая продолжительность процесса может быть сокращена до 3…4 сут. В целом анаэробное сбраживание целесообразно применять для крупных очистных станций.

Аэробные стабилизаторы осадка значительно проще и безопаснее метантенков с анаэробными процессами как конструктивно, так и в эксплуатации. Аэробная стабилизация осуществляется в резервуарах типа аэротенков при длительной аэрации осадка воздухом. При аэробной стабилизации осадок приобретает хорошую водоотдачу. Стабилизации подвергается, как правило, активный ил или смесь активного ила с осадком первичных отстойников. Процесс при температуре около 20 °С длится от 2 до 15 сут. в зависимости от вида осадка. При изменении температуры на 10 °С аналогично другим биологическим процессам продолжительность стабилизации изменяется в 2…2,5 раза.

Длительность процесса зависит от состава осадка, температуры, интенсивности аэрации и необходимой степени распада органического вещества для получения максимальной зольности и улучшения водоотдачи. Распад органического вещества колеблется в широких пределах в зависимости от свойств осадка – от 5 до 50%.

Расход воздуха, подаваемого в аэробные стабилизаторы системой пневматической аэрации, принимается 1…2 м3/ч на 1 м3 объема стабилизатора. Интенсивность аэрации – не ниже 6 м3/(м2/ч) для поддержания осадка во взвешенном состоянии.

Объем V аэробного стабилизатора для активного ила определяется из соотношения

V= Gt/C,

где G – суточное количество сухого вещества осадка, подаваемого в стабилизатор, т/сут; t – требуемая продолжительность сбраживания, сут; С – концентрация сухого вещества, поддерживаемая в сооружении, т/м3.

Наиболее простой и распространенный способ обезвоживания сырого и сброженного осадка – сушка его на иловых площадках. Они представляют собой спланированные карты, оборудованные дренажем участки земли (рис. 13.3). На иловых площадках осуществляются уплотнение осадка и удаление жидкости с поверхности, фильтрация ее через слой осадка, удаление с помощью дренажа, испарение с поверхности осадка. Применяются различные типы иловых площадок: на естественном основании с дренажом или без дренажа, на искусственном асфальтобетонном основании с дренажом, каскадные с отстаиванием и удалением воды с поверхности.

Рис. 13.3. Иловые площадки:

1 – илоразводящий лоток; 2 – шибер; 3 – сливной лоток; 4 – дренажные трубы; 5 – деревянный щит под сливным лотком; 6 – съезд на карту; 7 – дорога; 8 – кювет оградительной канавы; 9 – сборная дренажная груба; К-1 – К-5 – колодцы

Сырой осадок из отстойников или сброженный осадок из метантенков, двухъярусных отстойников либо других сооружений, имеющий влажность от 90% (из двухъярусных отстойников) до 99,5% (несброженный активный ил), периодически наливается небольшим слоем на эти участки и подсушивается до влажности 75…80%. Фильтрация идет интенсивно первые 3…4 сут, влажность осадка при этом уменьшается до 91…87%. Нагрузка на иловые площадки в зависимости от климатических условий, вида осадка, метода его предварительной подготовки и типа иловых площадок составляет 0,8…2,5 м3/(м2 • год).

На малых очистных станциях для удобства эксплуатации ширину отдельных карт принимают не более 10 м. Па средних и больших станциях ширина карт может быть увеличена до 35…40 м. Карты отделяют друг от друга оградительными валиками. Размеры карт на средних и больших станциях целесообразно назначать с учетом размещения ила, выпускаемого за один раз, при толщине слоя летом 0,25…0,3 и зимой 0,5 м.

Ил к площадкам подводится по трубам, укладываемым по большей части в теле разделительного валика с уклоном 0,01…0,03 и снабжаемым выпусками. Иловые площадки необходимо своевременно освобождать от подсушенного осадка для использования в качестве удобрения.

Длительность процесса, неблагоприятные для естественной сушки атмосферные условия, перегрузки по количеству поступающего осадка и отсутствие достаточного уровня эксплуатации в связи с несовершенством или отсутствием уборочных механизмов зачастую определяют неудовлетворительную работу иловых площадок, независимо от их конструкции, что приводит к развитию методов механического обезвоживания.

Для механического обезвоживания осадка могут быть применены центрифугирование, фильтр-прессование и вакуум-фильтрование.

При центрифугировании и (или) фильтр-прессовании возможно разрушение прочностных связей влаги, находящейся в осадке, это подтверждается практикой по обезвоживанию осадка городских сточных вод на фильтр-прессах и центрифугах, где отфильтрованный осадок имеет более низкую влажность по сравнению с его влажностью после вакуум-фильтрования. Процесс удаления воды из осадка центрифугированием основан на действии центробежной силы. Он завершается в течение нескольких минут.

Для обезвоживания осадка большое распространение получили осадительные горизонтальные центрифуги непрерывного действия со шнековой выгрузкой кека (продукта низкой влажности). Работу центрифуги характеризуют ее производительность, эффективность задержания сухого вещества осадка и влажность получаемого кека. Эффективность задержания сухого вещества в зависимости от вида осадка варьируется от 10 до 65%, влажность кека – от 60 до 85%. Для повышения эффективности центрифугирования используют катионные флокулянты, которые позволяют повысить эффективность задержания сухого вещества до 90…95%, а в некоторых случаях до 99%, тогда как минеральные коагулянты повышают этот показатель до 70…80%. Учитывая большое количество сухого вещества, остающегося в фугате (отделяемая влага), при использовании центрифуг приходится предусматривать дополнительную обработку фугата, кроме случаев эффективного применения флокулянтов.

При применении для обезвоживания осадка фильтр-прессов получают осадок влажностью 50…70%. Рамные и камерные фильтр-прессы являются установками периодического действия, ленточные горизонтальные, вертикальные, барабанные фильтр-прессы – непрерывного действия. Производительность фильтр-прессов: для сброженных осадков из первичных отстойников – от 7 до 17 кг/(м2 – ч), для активного ила – от 2 до 7 кг/(м2 • ч).

Перед механическим обезвоживанием осадка для снижения его удельного сопротивления необходимо применять реагентную обработку, например хлорное железо (FeCl3) и известь (СаО). Метод обработки осадка флокулянтами прост и безопасен в эксплуатации, не вносит посторонних дополнительных компонентов, а по сравнению с хлорным железом значительно меньшие дозы флокулянтов снижают удельное сопротивление осадка до величин, позволяющих обрабатывать его на вакуум-фильтрах и фильтр-прессах, и при том не требуют применения извести.

Периодически требуется регенерация фильтровальной ткани 10%-ным раствором ингибированной соляной кислоты.

Вакуум-фильтр представляет собой горизонтально расположенный барабан, обтянутый фильтрующей металлической или пластмассовой сеткой или тканью. Примерно на 1/3 диаметра он погружен в корыто, в которое поступает подлежащий обезвоживанию осадок.

Внутренними продольными перегородками, расположенными радиально, барабан разделен на несколько секторов – самостоятельных камер. При вращении барабана камеры входят поочередно в соприкосновение с трубами от вакуум-насоса или компрессора, присоединенными к неподвижному диску, находящемуся у одной из торцовых стенок барабана. В камерах, погруженных в корыто с осадком, последний вследствие вакуума присасывается к поверхности барабана и налипает на нее слоем 10…30 мм. В этих же камерах (при выходе их из корыта) также под действием вакуума происходит отделение воды от твердого вещества, т.е. собственно процесс обезвоживания осадка. Далее камеры соединяются с компрессором, который отдувает обезвоженный налипший осадок.

Обезвоженный осадок, снятый с поверхности барабана специальным ножом, поступает на конвейер, откуда его направляют на последующую сушку или к месту использования (рис. 13.4). Профильтровавшаяся вода (фильтрат) перекачивается центробежным насосом на биологическую очистку. Скорость вращения барабана равна в среднем 4 об/мин.

Рис. 13.4. Схема установки механического обезвоживания осадка:

1 – метантенк; 2 – мерный резервуар; 3 – повысительный насос; 4,5 – подача воды и сжатого воздуха; 6 – резервуар для промывки осадка; 7 – уплотнитель; 8 – сборник уплотненного осадка; 9 – емкость для коагулирования осадка; 10 – вакуум-фильтр; 11 – конвейер; 12 – передача осадка в отделение термической сушки

Производительность вакуум-фильтра зависит от состава осадка, влажности, способа коагуляции, фильтрующего материала и др. Хорошо фильтруется сброженный осадок из первичных отстойников. Снижение влажности до 93,2% повышает производительность фильтра до 32,5…35 кг/м2, повышение влажности до 96% понижает его производительность до 15…17,5 кг/м2.

Величина требуемого вакуума при обезвоживании осадка из первичных отстойников равна 53…67 кПа, при обезвоживании активного ила 33…47 кПа. Количество отсасываемого воздуха составляет 0,5…0,6 м3/мин на 1 м2 поверхности фильтра. Расход сжатого воздуха с давлением 40…50 кПа равен 0,1 м3 на 1 м2 поверхности фильтра. В зависимости от качества осадка и наличия в нем активного ила производительность вакуум-фильтра колеблется в пределах 15…40 кг/м2 • ч по сухому веществу при вакууме 40…67 кПа. Обезвоженный осадок имеет влажность 70…80%. Для уничтожения яиц гельминтов его подогревают до 60 °С или подвергают термической сушке.

Термическая сушка позволяет получить незагнивающий продукт при влажности всего только 20…25%, что значительно облегчает условия его перевозки и хранения. Обезвоженный этим способом осадок можно в расфасованном виде доставлять к месту его использования.

Для термической обработки осадка применяют сушилки мельницы, вращающиеся сушилки барабанного тина, шахтные или вальцовые сушилки и сушку с последующим сжиганием в печах.

Осадок сушится проходящими через сушилку топочными газами, полученными путем сжигания в специальной топочной камере газом из метантенков. Температура поступающих топочных газов около 800 °С, выходящих – 246 °С.