Пути повышения эффективности работы метантенков

Аннотация. В работе рассмотрены пути повышения эффективности работы сооружений для сбраживания осадка – метантенков. Выявлены основные проблемы при эксплуатации метантенков. Рассмотрены пути решения существующих проблем. Предложен подробный разбор методов интенсификации работы.

Abstract. The work considers ways to increase the efficiency of the structures for fermentation of sediment - methane tanks. The main problems during the operation of methane tanks have been identified. Ways of solving existing problems are considered. Detailed analysis of methods of work intensification is proposed.

Ключевые слова: технология; интенсификация процесса; сгущение осадка; оптимальная эксплуатация; сточные воды; органические вещества; очистка воды; метантенк; биогаз; метановое сбраживание.

Keywords: technology; process intensification; sediment thickening; optimal operation; waste water; organic substances; water purification; methane tank; biogas; methane fermentation.

Метантенки являются наиболее совершенными сооружениями для сбраживания осадков, в них септическая часть полностью отделена от отстойника. Интенсивность сбраживания зависит от температуры (основной фактор), при которой оно производится, от соотношения между количеством вновь поступающего осадка и количеством зрелого (т.е. дозы загрузки) и от полноты перемешивания. За последнее десятилетие в связи с необходимостью дальнейшего повышения эффективности и интенсификации процесса сбраживания, проделана большая работа по изучению распада ила. Работа метантенков зависит от условий их эксплуатации, т.е. от перемешивания осадка, его подогрева, режима подачи и удаления сброженного осадка.

Для оптимальной эксплуатации метантенка должны быть соблюдены следующие технологические условия:

- постоянное перемешивание содержимого гнилостной камеры;

- нагрев гнилостной камеры при как можно более постоянной температуре;

- введение загружаемого необработанного осадка со сброженным осадком;

- как можно более постоянная загрузка необработанного осадка с равномерным выводом сброженного осадка и отводом плавающего слоя;

- эффективное удаление плавающего слоя с поверхности;

- накопление, подготовка и использование биогаза.  

Проведя литературный обзор [2], был сделан вывод, что малоэффективное применение метантенков было вызвано из-за нескольких основных факторов, таких как:

- применение термофильного режима сбраживания с короткими временами пребывания, требующего много энергии и ухудшающего водоотдающие свойства осадка;

- неудовлетворительное перемешивание в самих реакторах‑метантенках;

- нагрев метантенков с помощью острого пара, снижающий скорость биохимической реакции;

- низкой концентрацией смеси ила и осадка, поступающего в метантенки.

Основными путями решения существующих проблем при эксплуатации метантенков является переход к мезофильному режиму сбраживания с большим временем пребывания, применение современных теплообменников для нагрева осадка и рекуперации тепла сброженного осадка, организация хорошего перемешивания в резервуарах метантенков, увеличение концентрации избыточного ила путем его предварительного механического сгущения.

Интенсификацию процесса метанового брожения проводят для достижения следующих целей:

- сокращение продолжительности сбраживания при достижении заданной степени распада с целью уменьшения объемов сооружений, а следовательно, капитальных затрат;

- повышение количества биогаза, выделяющегося в процессе брожения, с целью его использования для сокращения затрат на обогрев самих метантенков и дополнительного получения других видов энергии;

- увеличение содержания метана в биогазе с целью повышения его теплоты сгорания и эффективности утилизации;

- достижение хорошего уплотнения и водоотдающих свойств сброженного осадка с целью сокращения затрат на сооружения для его обезвоживания.

Выявлено, что основными методами интенсификации работы метантенков является:

- повышение эффективности перемешивания осадка и изменение перемешивания на микроуровне;

- переход на непрерывную загрузку и выгрузку (двухступенчатые процессы);

- разделение фаз сбраживания;

- повышение концентрации загружаемого осадка и биомассы микроорганизмов за счет ее рециркуляции;

- подготовка осадка к сбраживанию (предобработка) с увеличением степени гидролиза.

Рассмотрим каждый метод более подробно. [1]

Повышение концентрации загрузки.

При традиционной технологии сбраживания в метантенк загружается смесь сырого осадка из первичных отстойников и уплотненного избыточного ила с концентрацией сухого вещества 30-40 кг/м³. При такой сравнительно низкой концентрации исходного субстрата невозможно поддерживать высокую нагрузку по сухому беззольному веществу и одновременно обеспечивать достаточную продолжительность процесса. Увеличение концентрации сухого вещества осадков путем предварительного сгущения позволяет увеличить нагрузку на метантенк и вести процесс при продолжительности, достаточной для предотвращения срывов сбраживания. Повышения концентрации осадка в метантенке можно достичь путем предварительного сгущения загружаемого осадка или рециркуляции сброженного осадка. В первом случае в метантенке увеличивается концентрация сбраживаемого субстрата, во втором – биомасс микроорганизмов, участвующих в процессе. Предварительное сгущение осадка путем его гравитационного уплотнения, центрифугирования и флотации получили широкое распространение в ряде стран.

Фазовое разделение.

К новым интенсивным технологиям метанового сбраживания, многие из которых уже нашли практическое применение, относятся различные варианты технологий фазового разделения. Научная концепция технологии фазового разделения базируется на различных требованиях кислото- и метанообразующих микроорганизмов к условиям среды и различии их физиологических характеристик.

Рисунок 1. Технологическая схема фазового разделения

1 – уплотнитель сырого осадка; 2 – анаэробный реактор I фазы; 3 – анаэробный реактор II фазы; 4 – уплотнитель сброженного осадка; 5 – насос; 6 – на обезвоживание; 7 – в начало очистных сооружений; 8 – теплообменник; 9 – биогаз.

Значительное внимание в исследованиях процесса фазового разделения уделяется подбору для обеих фаз процесса эффективной температуры и минимальной продолжительности сбраживания, а также их проведению в аэробных и анаэробных условиях. Чтобы ускорить фазу метаногенеза, необходимо создавать условия для повышения концентрации метановых бактерий. Перспективным является использование реактора с неподвижным слоем загрузки для прикрепления (иммобилизации) микроорганизмов, а также применение АПФЛОУ-процесса. В этом процессе при восходящем потоке осадка за счет хороших флокулирующих свойств метаногенов образуется взвешенный слой гранулообразного осадка, при прохождении через который осуществляется быстрая и глубокая биометанизация сбраживаемого субстрата. Оба направления получают широкое распространение при анаэробной обработке концентрированных промышленных сточных вод, содержащих растворенные органические вещества.

Аэробно – анаэробные процессы стабилизации.

Предварительная аэробная обработка в течение 1-2 сут перед анаэробным сбраживанием оказывает значительное влияние на общий итог стабилизации по выходу газа и снижению концентрации органического вещества. В результате метаболической активности аэробных микроорганизмов высвобождается значительное количество энергии, что приводит к повышению температуры в реакторе. Основными факторами, влияющими на степень повышения температуры, являются подача достаточного количества кислорода воздуха или чистого кислорода и концентрация сырого осадка в сочетании с продолжительностью стабилизации. Данный способ позволяет на 20-30% уменьшить объем сооружений по сравнению с одноступенчатым мезофильным сбраживанием при времени пребывания осадка 20 сут. Однако по сравнению с одноступенчатым термофильным сбраживанием, где используется более короткое время пребывания осадка, это преимущество сводится к минимуму. По приведенным затратам рассматриваемый способ не дает значительных преимуществ, однако его надежность, возможность достижения гигиенически безупречных осадков и их неплохие водоотдающие свойства делают его конкурентоспособным по отношению к другим методам стабилизации.

Повышение эффективности перемешивания осадка.

Конструкционные особенности часто закладываемых при проектировании метантенков вертикальных мешалок типа импеллер в трубе на практике не обеспечивают достаточно эффективного перемешивания и приводят к быстрому выходу из строя установленных мешалок. Была проведена работа по поиску других перемешивающих устройств, и после промышленных испытаний подобранного образца, предложена замена импеллерных мешалок на лопастные мешалки. Такая модернизация метантенков приводит к увеличению выхода биогаза на 10%.

Рисунок 2. Вид импеллерных и лопастных мешалок

Повышение концентрации загружаемого осадка и биомассы микроорганизмов за счет ее рециркуляции.

Технология метанового сбраживания с рециклом активной биомассы, представляет собой схему, по которой часть осадка, который выходит после сбраживания, сгущается на центрифугах и направляется обратно на метантенк. Такая технология без высоких капитальных затрат и без существенной реорганизации производственного процесса позволяет интенсифицировать процесс метанового сбраживания:

- увеличить выработку биогаза на 10- 15%;

- снизить затраты на обработку и утилизацию осадка;

- улучшить водоотдающие свойства осадка;

- уменьшить количество загрязнений в возвратном потоке сливных вод.

Когда уменьшается количество осадка, это приводит к другим экономическим эффектам, связанным с депонированием (вывозом) осадка. Это тоже является экономически выгодным эффектом.

Сгущение осадка сточных вод перед подачей в метантенки для увеличения времени пребывания и глубины сбраживания.

Сгущение осадка сточных вод перед подачей в метантенки позволяет увеличить время пребывания осадка в метантенке и глубину сбраживания. Сбраживание более концентрированного осадка в метантенках приведет к увеличению глубины распада беззольного вещества с 44 до 48 - 52% за счет увеличения времени пребывания осадка и увеличит выход биогаза на 10%. Уменьшение объема загрузки в метантенки позволит получить экономию тепла на предварительный нагрев загружаемого осадка. Уменьшение массы сухого вещества сброженного осадка позволит значительно сократить расходы на флокулянт при механическом обезвоживании и на вывоз осадка. Оба эти процесса составляют основные затратные статьи в обработке осадка.

Рисунок 3. Зависимость распада беззольного вещества при сбраживании от концентрации сухого вещества загружаемого осадка

Подготовка осадка к сбраживанию (предобработка).

Применение различных методов предобработки осадков позволяет:

- увеличить биодоступность осадков для сбраживания;

- увеличить степень распада беззольного вещества;

- повысить выход биогаза;

- снизить количество сброженного осадка.

Среди всех методов предобработки для практиков [1] в разных странах наибольший интерес представляет термообработка, когда происходит предобработка осадка сточных вод при температуре 130-180°С при высоком давлении. За счет этого происходит увеличение выхода биогаза на 33-68%, однако эта технология подразумевает высокие капитальные затраты на строительство узла термогидролиза. Термощелочная обработка дает высокую степень разрушения активного ила, однако она еще более затратна, потому что нужно построить сооружения, работающие при высокой температуре плюс затраты на реагенты. Ультразвуковая обработка дает увеличение выхода биогаза от 9 до 42% в зависимости от условий обработки, характеризуется простым встраиванием в существующие технологические схемы, простым обслуживанием, однако очень энергоемка.

Самыми эффективными методами, как показали лабораторные эксперименты, являются термообработка при 160°С и ультразвуковая обработка. [3]

Повышение требований к охране окружающей среды заставили вновь обратиться к энергетически выгодному анаэробному процессу конверсии органических отходов и к возобновлению исследований биохимии, микробиологии и кинетики метанового сбраживания с целью создания принципиально новых  и усовершенствованных технологий для его осуществления, позволяющих уменьшить объемы сооружений и повысить выход биогаза и конверсии органических веществ. В это же время появились новые конструкции метантенков со сниженной материалоемкостью, обеспечивающие улучшенные условия эксплуатации, а также новые способы утилизации биогаза, которые позволяют на 60-80% снижать общие затраты электроэнергии на очистных сооружениях. Правильное применение метантенков обеспечивает не только подготовку осадка к обезвоживанию и его стабилизацию (это важно для предотвращения образования метана при последующем депонировании, использовании или утилизации), но и получение энергии.