Навигация:
ГлавнаяВсе категории → Очистка сточных вод

Стабилизация осадков сточных вод и активного ила в анаэробных и аэробных условиях


Стабилизация осадков сточных вод и активного ила в анаэробных и аэробных условиях

Стабилизация первичных и вторичных осадков достигается путем разложения органической части до простых соединений или продуктов, имеющих длительный период ассимиляции окружающей средой. Эффект стабилизации осадка может быть получен разными методами – биологическими, химическими, физическими, а также их комбинацией. Целесообразность применения того или иного метода стабилизации определяется рядом условий, главными из которых являются вид осадков, их количество, возможность и условия дальнейшего использования, наличие территории для их размещения.

Наибольшее распространение получили методы биологической анаэробной и аэробной стабилизации. При небольшом количестве осадков применяют септики, двухъярусные отстойники и осветлители-перегниватели, в которых биологический процесс разложения органической массы происходит экстенсивно под влиянием внешних условий. Интенсивный процесс минерализации требует создания специальных условий, оптимально обеспечивающих все его стадии. Для его осуществления применяют метантенки и аэробные минерализаторы.

Септики, двухъярусные отстойники и осветлители-перегниватели. Септики являются комбинированными сооружениями, в которых происходит осветление сточной воды и сбраживание (перегнива-ние) выпавшего осадка. Септики обычно применяют при очистке небольших количеств сточных вод (до 25 м3/сут), поступающих от отдельно стоящих зданий или группы зданий. Последующей ступенью очистки сточной воды являются доля подземной фильтрации, песчано-гравийные фильтры, фильтрующие траншеи или колодцы.

Взвешенные вещества, содержащиеся в сточной воде, выпадают в осадок, накапливающийся на дне септика. Осадок представляет собой частицы преимущественно органического происхождения. Под действием анаэробных микроорганизмов органическая часть осадка превращается в газы и минеральные соединения.

Полный расчетный объем септика следует принимать равным 3-суточному притоку — при расходе сточных вод до 5 м3/сут, и не менее 2,5-суточному — при расходе более 5 м3/сут. Влажность осадка, сброженного в септике, составляет 90%.

В зависимости от расхода сточных вод принимают: однокамерные септики — при расходе до 1 м3/сут; двухкамерные — при расходе до 10 м3/сут; трехкамерные — при расходе свыше 10 м3/сут.

В двухкамерных септиках объем первой камеры следует принимать равным 0,75, а в трехкамерных — 0,5 расчетного объема. При этом объем второй и третьей камер надлежит принимать по 0,25 расчетного объема. Эти септики выполняют из сборного железобетона (рис. 15.7).

Рис. 15.7. Двухкамерный септик из железобетонных колец

Впуск в септик и выпуск из него сточной воды можно осуществлять с помощью тройников. Иногда для задержания всплывающих в септике веществ устанавливают доску, погруженную на 50 см ниже уровня воды.

Перегнивший осадок, хранящийся на дне камер септиков, периодически выгружается и вывозится ассенизационными автомашинами. При необходимости обеззараживания сточных вод, выходящих из септика, устраивают камеру для контакта обеззараживающего агента со сточной водой. Размеры камеры в плане принимают не менее 0,75×1 м.

Двухъярусные отстойники служат для осветления сточных вод, уплотнения и сбраживания выпавшего осадка. Они применяются на станциях пропускной способностью до 10 тыс. м3/сут.

Отстойники представляют собой резервуары цилиндрической или прямоугольной в плане формы. В верхней части сооружений расположены проточные желоба (рис. 15.8), в которых происходит осветление сточной воды, а в нижней части находится камера сбраживания выпавшего осадка.

Рис. 15.8. Схема двухъярусного отстойника:
1 – желоба для осветления сточных вод; 2 – щель; 3 – нейтральный слой; 4 – септическая камера; 5 – трубопровод для удаления осадка

Осадочные желоба, по которым протекает сточная вода, выполняют функции горизонтального отстойника, и в них происходит выпадение оседающих взве
шенных веществ. Выпавший осадок сползает по наклонным стенкам нижней часта желоба в щель шириной 0,15 м и поступает 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.

Устройство щели частично предотвращает возможность заражения осветленной воды продуктами разложения. Впуск воды в осадочный желоб и выпуск из него выполняют также, 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 задерживания на поверхности воды всплывающих частиц.

Глубину осадочных желобов принимают 1,2-2,5 м, так как на большей глубине нельзя достигнуть равномерного протекания воды по всему поперечному сечению. Сброженный ил удаляют из септической камеры снизу (как в вертикальных отстойниках) через иловую трубу диаметром 200 мм под гидростатическим напором 1,5-1,8 м, считая от центра отверстия иловой трубы до уровня воды.

Осадок, попавший в иловую камеру двухъярусного отстойника, под воздействием анаэробных микроорганизмов минерализуется в мезо-фильных условиях по двухстадийному процессу, чем существенно отличается от процесса сбраживания в септиках. Первая фаза — кислое брожение, в результате которого сложные органические вещества (белки, жиры и углеводы) расщепляются до кислот жирного ряда. Затем процесс переходит во вторую фазу — метановое брожение, являющуюся при правильной эксплуатации отстойника постоянной. Продуктами этой фазы минерализации являются метан, диоксид углерода и частично сероводород. Распад органических веществ при сбраживании осадка в двухъярусных отстойниках принимают 40%.

Сбраживание осадка в двухъярусных отстойниках при нормальной их работе идет без выделения дурно пахнущих газообразных продуктов; зрелый осадок имеет характерный слабый запах асфальта или сургуча. Влажность выгружаемого осадка в среднем 90-92%.

Искусственный подогрев осадка в двухъярусных отстойниках обычно не предусматривается. В большинстве случаев для них характерен температурный интервал от 10 до 15°С, поэтому для созревания осадка требуется от 60 до 120 дней. Для предохранения иловой части двухъярусных отстойников от охлаждения их заглубляют в землю или обсыпают со всех сторон землей. Поверхность сооружений на зиму следует утеплять.

Для ускорения созревания осадка до пуска в эксплуатацию двухъярусных отстойников рекомендуется загрузить в септическую камеру зрелый осадок.

Расчет двухъярусного отстойника состоит в определении размеров проточного желоба и объема камеры сбраживания. Продолжительность отстаивания принимают 1,5 ч.

Эффективность задержания взвешенных веществ в желобах составляет 40 – 50%. Скорость движения воды в них назначают 4-7 мм/с.

Длина желоба L, м, принимается в соответствии с выбранным диаметром.

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

Во избежание быстрого накопления корки, а также для получения достаточного объема буферной иловой воды площадь поверхности, не занятая осадочными желобами, должна составлять не менее 20% общей площади поверхности двухъярусного отстойника. Расстояние между наружными стенками и стенками соседних желобов следует принимать не менее 0,5 м.

Вместимость иловой камеры, приходящуюся на одного человека, принимают в зависимости от средней температуры сточной воды в зимнее время.

Вместимость иловой камеры двухъярусных отстойников должна быть увеличена на 70% при подаче в нее ила аэротенков на полную очистку и высоконагружаемых биофильтров, а также на 30% при подаче ила из отстойников после капельных биофильтров и аэротенков на неполную очистку.

В случае последующей подачи воды на поля фильтрации вместимость иловой камеры двухъярусных отстойников может быть уменьшена, но не более чем на 20%.

Иловая камера занимает всю коническую часть сооружения и часть цилиндрической.

Для лучшего сползания сброженного осадка ко дну нижнюю часть иловой камеры делают в виде конуса с углом наклона образующей, равным 30°. Практика эксплуатации показала, что уклон днища целесообразно делать большим, чем рекомендуется нормативами.

Нейтральный слой между иловой камерой и щелью желоба принимают равным 0,5 м, возвышение борта двухъярусного отстойника над поверхностью воды – также 0,5 м.

В конструктивном отношении двухъярусные отстойники различают по очертанию в плане, числу желобов и числу иловых камер. По очертанию в плане эти отстойники могут быть круглые и прямоугольные.

Двухъярусные отстойники могут быть железобетонные или кирпичные. Наиболее распространены железобетонные. Кирпичные отстойники могут применяться только для малых установок.

Разработан ряд типовых проектов двухъярусных отстойников из монолитного и сборного железобетона. Показанный на рис. 15.9 типовой Двухъярусный отстойник имеет спаренные проточные желоба, распределительный боковой водослив, расположенный перпендикулярно оси желобов. Верхняя часть гребня водослива имеет обтекаемую форму, чтобы предотвратить налипание плавающих примесей. Во избежание образования подпора гребень водослива на входе устраивают на 5 см выше гребня на выходе сточной воды из желобов. Эти особенности конструкций желобов позволяют повысить эффект осаждения взвеси.

Рис. 15.9. Парный двухъярусный отстойник с двумя желобами:
1 – распределительный лоток; 2 – выгрузочная иловая труба; 3 – осадочный желоб; 4 – выгрузочно-загрузочная щель; 5 – камера сбраживания осадка

Наряду с достоинствами, присущими двухъярусным отстойникам, они имеют и недостатки. Основным недостатком двухъярусных отстойников является большой объем иловой части, что существенно увеличивает стоимость сооружения. Большая глубина отстойников делает невыгодным их применение при высоком уровне грунтовых вод.

Осветлители-перегниватели. В Санкт-Петербургском государственном архитектурно-строительном университете разработана конструкция осветлителя-перегнивателя, являющегося комбинированным сооружением, состоящим из осветлителя с естественной аэрацией, концентрически располагаемого внутри перегнивателя.

Осветлители следует проектировать в виде вертикальных отстойников с внутренней камерой флокуляции, с естественной аэрацией за счет разности уровней воды в распределительной чаше и осветлителе.

Сточные воды (рис. 15.10) по лотку 1 подаются в центральную трубу 2, к концу которой прикреплен отражательный щит.

Рис. 15.10. Осветлитель-перегниватель:
1 – подающий лоток; 2 – центральная труба; 3 – отражательный щит; 4 – камера флокуляции; 5 – зона отстаивания (осветлитель); 6 – сборный периферийный лоток; 7 – отводящая труба осветленной воды; 8 – иловая труба; 9 – камера для сбраживания осадка (перегниватель); 10 – труба для удаления сброженного осадка; 11 и 12 – лоток и труба для удаления корки; 13 – илораспределительная труба

Напор воды 0,6 м, обусловленный разностью отметок уровня жидкости на входе в трубу и в осветлителе, обеспечивает скорость движения в трубе 0,5-0,7 м/с, необходимую для засасывания воздуха из атмосферы. Воздушная смесь из трубы 6 поступает в камеру флокуляции, где сточная вода находится в течение 20 мин, затем направляется в отстойную камеру, проходя образовавшийся взвешенный слой.

Продолжительность пребывания в отстойной камере не менее 70 мин.

Осадок, выпавший на дно осветлителя, по трубе направляется в приемный резервуар насосной станции, откуда насосом по напорному трубопроводу подается в верхнюю зону перегнивателя, в которой осадок подвергается сбраживанию. Для предупреждения образования корки в камере сбраживания осадок периодически перемешивается.

Удельная суточная нагрузка хозяйственно-бытовых сточных вод на 1 м3 осветлителей-перегнивателей

Осветлители-перегниватели проектируют в виде комбинированного сооружения, состоящего из осветлителя с естественной аэрацией, и перегнивателя концентрически располагаемого внутри.

Расчетное снижение концентрации загрязняющих веществ по взвешенным веществам – до 70% и по БПКП0ЛН – до 15%.

Осветлители-перегниватели обладают рядом преимуществ. Разделение зон осветления и сбраживания исключает попадание осадка в очищенную воду, а перемешивание осадка в иловой камере способствует более интенсивному течению процесса минерализации.

В осветлителях-перегнивателях возможно загнивание сточных вод, что ухудшает качество очищенной воды.

Метантенки. Метантенки – сооружения, предназначенные для стабилизации осадков, отделяемых в процессах очистки сточных вод. Одновременно в зависимости от принятой технологии в той или иной степени обеспечивается обеззараживание осадков. Биохимический процесс стабилизации осуществляется в анаэробных условиях и представляет собой разложение органического вещества осадков в результате жизнедеятельности сложного комплекса микроорганизмов до конечных продуктов, в основном метана и диоксида углерода.

Биохимия и микробиология анаэробного метанового сбраживания сложнее, чем аэробных процессов. До настоящего времени нет полной ясности относительно роли и степени участия в нем разных групп микроорганизмов, однако , очевидно, что в отличие от активного ила, биоценоз ме-тантенка представлен только бактериями.

Согласно современным представлениям анаэробное метановое сбраживание включает четыре взаимосвязанные стадии, осуществляемые разными группами бактерий (рис. 15.11).
1. Стадия ферментативного гидролиза осуществляется быстрорастущими факультативными анаэробами, выделяющими экзоферменты, при участии которых осуществляется гидролиз нерастворенных сложных органических соединений с образованием более простых растворенных веществ. Оптимальное значение рН для развития этой группы бактерий находится в интервале 6,5-7,5.

2. Стадия кислотообразования (кислотогенная) сопровождается выделением летучих жирных кислот, аминокислот, спиртов, а также водорода и углекислого газа. Стадия осуществляется быстрорастущими, весьма устойчивыми к неблагоприятным условиям среды гетерогенными бактериями.

3. Ацетатогенная стадия превращения ЛЖК, аминокислот и спиртов в уксусную кислоту осуществляется двумя группами ацетатоген-ных бактерий. Первая группа, образующая ацетаты с выделением водорода из продуктов предшествующих стадий, называется ацетатогенами, образующими водород:

Рис. 15.11. Схема анаэробного метанового сбраживания осадков:
1 – ферментативные кислотогены; 2 – ацетогены, образующие Н2; 3 – ацетогены, использующие Щ; 4 – метаногены, восстанавливающие СОг; 5 – метаногены, использующие ацетат; I – гидролиз; II – кислотогенез; III – ацетогенез; IV— метаногенез

Таким образом, анаэробное разложение органических веществ осуществляется сообществом микроорганизмов, составляющих трофическую цепь первичных и вторичных анаэробов. В отличие от трофических цепей микроорганизмов в аэробных условиях, где взаимоотношения между группами организмов характеризуются отношением “жертва – хищник”, для трофических систем при метановом сбраживании характерно использование продуктов метаболизма одних групп бактерий другими. Первичные факультативные анаэробы осуществляют стадии гидролиза и кислотообра-зования, вторичные – стадии ацетатогенеза и метаногенеза на субстратах, образующихся первичными анаэробами.

Ко вторичным анаэробам относятся и сульфатредуцирующие бактерии, работающие параллельно метаногенам и использующие продукты первых стадий процесса. При низком содержании сульфатов работают в основном метаногены с образованием СН4 и С02 и незначительного количества H2S. При повышении концентрации сульфатов до 0,5 ммоль/л суль-фатвосстанавливающие бактерии конкурируют с метаногенами за энергетические субстраты (Н2 и ацетат) и образуют значительное количество сульфидов, ингибирующих рост метаногенов.

Все стадии анаэробного сбраживания имеют важное значение, однако очевидно, что последующие стадии не могут начаться, пока для них не будут подготовлены условия предыдущим ходом процесса. Поскольку аце-тогены и особенно метаногены имеют более низкие скорости роста по сравнению с гидролитическими бактериями и более чувствительны к условиям процесса, то стадия образования метана оказывается существенно зависимой от этих условий.

Помимо трофических связей между группами бактерий в процессе метанового брожения должны осуществляться и физические взаимодействия, в том числе необходим непосредственный контакт гидролитических бактерий с твердым гидролизуемым субстратом и пространственный симбиоз ацетатогенов и метаногенов с субстратом. Разрыв этих связей, вызванный, например, сильными динамическими нагрузками при интенсивном перемешивании, оказывает отрицательное воздействие на эффективность процесса.

Поэтому для создания сбалансированной и эффективно работающей системы метанового сбраживания осадка всегда необходимо рассматривать не отдельные группы бактерий, а все сообщество в целом в конкретных условиях его существования.

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 такими основными технологическими параметрами процесса, как доза загрузки метантенка, температура, концентрация загружаемого осадка. Кроме того, существенную роль играют такие факторы, как режим загрузки и выгрузки осадка, система его перемешивания и др.

В органическом веществе основную часть (до 80%) составляют жиры, белки и углеводы. Именно за счет их распада образуется все количество выделяющегося биогаза, в том числе 60-65% за счет распада жиров, остальные 40-3 5% приходятся примерно поровну на долю углеводов и белков. Отсюда следует, что при сбраживании осадков первичных отстойников, содержащих больше жиров, образуется больше газа, чем при сбраживании активного ила, в котором больше белков. Даже при очень длительной продолжительности пребывания осадка в метантенке указанные компоненты органического вещества распадаются не полностью. Имеется максимальный предел сбраживания и, следовательно, максимальный выход газа с единицы распавшегося вещества, которые существенно различны у жиров, белков и углеводов. Различен и состав выделяющегося газа.

Пределы распада не зависят от температуры, но скорости распада каждого компонента с повышением температуры возрастают.

Диапазон температур, при котором возможно образование метана в анаэробных микробных процессах, довольно широк. В природе метан образуется при температурах от 0 до 97°С. Различают три основные температурные зоны жизнедеятельности микроорганизмов: психрофильная – до 20°С; мезофильная – от 20 до 40°С; термофильная – от 50 до 70°С. В каждой зоне биохимические процессы осуществляют свои адаптированные ассоциации микроорганизмов. При переходе от психрофильных температур к мезофильным и далее к термофильным период адаптации к каждому режиму обычно заканчивается за 10-20 суток, благодаря тому, что например, мезофильное сообщество всегда включает до 10% термофильных микроорганизмов, а психрофильное – такое же количество мезофильных.

Наибольшее практическое применение в обогреваемых метантен-ках нашли два температурных режима: мезофильный (32-35°С) и термофильный (52-55°С).

В необогреваемых сооружениях (септиках, двухъярусных отстойниках, осветлителях-перегнивателях) анаэробное брожение происходит в психрофильной зоне при температурах, определяемых климатическими условиями.

Процесс брожения необходимо осуществлять при выбранном оптимальном температурном режиме, даже кратковременное нарушение которого, особенно в сторону снижения температуры, приводит к торможению стадии метаногенеза, накоплению кислот за счет активной работы более устойчивых гидролитических организмов, нарушению трофических связей и процесса в целом.

Рис. 15.12. Влияние дозы загрузки и температуры на распад беззольного вещества осадка (влажность осадка 95%): на кривых указана температура, °С

Температурный режим сбраживания тесно связан со временем пребывания осадка в метантенке или суточной дозой загрузки метантенка по объему (), а также количеством органического вещества загружаемого осадка на единицу рабочего объема метантенка (кг/м3). Если максимальный распад органического вещества, как указывалось выше, зависит только от его химического состава, то с уменьшением продолжительности сбраживания, т.е. с повышением дозы загрузки, распад органического вещества и выход газа снижаются при всех температурных режимах. В зоне термофильных температур это снижение происходит медленнее, чем в зоне мезофильных температур (рис. 15.12). Отсюда следует, чем выше доза загрузки, тем выше преимущества температурного процесса по степени распада и выходу газа (до определенной максимальной величины, равной 20-22 при t = 53-55°С и 14-16% при t = 32-35°С).

В связи с этим термофильный режим сбраживания, в основном применяемый в нашей стране, имеет преимущества перед мезофильным, т.к. позволяет уменьшить объемы метантенков, кроме того, обеспечивает глубокое обеззараживание осадков не только от поточной микрофлоры, но и от гельминтов. Однако, недостатком термофильного сбраживания является низкая водоотдающая способность сброженного осадка, что требует его промывки при последующем механическом обезвоживании. В свою очередь, мезофильный режим сбраживания не обеспечивает обеззараживания осадка, требует больших объемов метантенков, но позволяет получить сброженный осадок, лучше поддающийся последующему обезвоживанию.

Перемешивание содержимого метантенка необходимо проводить с целью обеспечения эффективного использования всего объема метантенка, исключения образования мертвых зон, предотвращения расслоения осадка, отложения песка и образования корки, выравнивания температурного поля. Кроме того перемешивание должно обладать способностью выравнивания концентраций метаболитов, образующихся в процессе брожения и являющихся промежуточными субстратами для микроорганизмов или ингибиторами их жизнедеятельности, а также поддержанию необходимого контакта между ферментами и субстратами, разными группами бактерий и др. Вместе с тем, как было упомянуто выше, существует некоторый предел интенсивности перемешивания, превышение которого может привести к механическому отрыву отдельных групп бактерий друг от друга, а также от частиц потребляемого ими субстрата.

При плохом перемешивании снижается эффективный объем метантенка, сокращается время пребывания в нем осадка, а, следовательно, расход органического вещества и выход биогаза. Известны случаи, когда только за счет отложения песка рабочий объем метантенка сокращается на 30 и 50%. Особенно важно хорошее перемешивание в метантенках с коротким периодом пребывания осадка (менее 10 суток).

Режим загрузки и выгрузки. Метантенки могут работать в периодическом, непрерывном и полунепрерывном режимах. При загрузке один раз в сутки скорость распада органического вещества и выход биогаза значительно меняется в период между загрузками. После загрузки выход газа в 2 раза превышает выход газа перед следующей загрузкой. Это свидетельствует о существенном изменении скорости биохимического распада за счет неравномерной подачи субстрата клеткам бактерии. Непрерывная загрузка и выгрузка метантенка снимает эту неравномерность. При непрерывной подаче предварительно подогретого сырого осадка, его хорошем смешении с массой бродящего осадка обеспечиваются равномерный тепловой режим сооружения, равномерное поступление питательных субстратов и возможность работы с повышенными дозами загрузки. Наконец, перевод метантенков на непрерывный режим загрузки делает возможным автоматизацию и механизацию процесса, обеспечивает уменьшение эксплуатационных затрат, равномерность газовыделения и однородность выгружаемого осадка.

Вместе с тем, как показывает теория непрерывных процессов, при имеющейся загрузке одноступенчатого термофильного метантенка, работающего в режиме смесителя, следует ожидать присутствие в выгружаемом осадке хотя бы незначительной части несброженного, следовательно, не-обеззараженного осадка.

На процесс брожения оказывают ингибирующее действие некоторые органические и неорганические вещества, которые могут содержаться в осадках в значительных концентрациях. К ним, в первую очередь, относятся тяжелые металлы, сульфиды, синтетические поверхностно-активные вещества, хлорированные углеводороды.

Эксплуатация метантенков требует организации четкого и постоянного контроля за основными показателями процесса брожения. К этим показателям относятся: – выход и состав биогаза, в котором обычно содержится 60-65% метана, 32-35% диоксида углерода, а также некоторые количества водорода, сероводорода, азота и др.; – степень распада органического вещества; – содержание летучих жирных кислот, аммонийного азота и щелочность иловой жидкости; – влажность и зольность загружаемого и сброженного осадка; – рН.

Конструкции метантенков. Метантенки представляют собой герметичные вертикальные резервуары с коническим или плоским днищем, выполненные из железобетона или стали.

В настоящее время разработаны типовые проекты метантенков полезным объемом 500-4000 м3 и диаметром 10-20 м. Для крупных очистных станций разработаны индивидуальные проекты метантенков с полезным объемом 6000-8000 м3.

Схема метантенка представлена на рис. 15.13. Уровень осадка поддерживается в узкой горловине метантенка, что позволяет повысить интенсивность газовыделения на единицу поверхности бродящей массы и предотвратить образование плотной корки.

Рис. 15.13. Метантенк:
1 – подача осадка; 2 – паровой инжектор; 3 – выпуск сброженного осадка; 4 – опорожнение метантенка; 5 – теплоизоляция; б – система сбора и отвода газа; 7 – циркуляционная труба; 8 – уровень осадка

При разработке конструкций метантенков значительное внимание уделяется теплоизоляции резервуаров и обеспечению газонепроницаемости купола.
За рубежом внимание разработчиков было направлено на поиск такой формы резервуара, которая обеспечила бы максимальный рабочий объем при минимальной поверхности, чтобы сократить материалоемкость и теплопотери при строительстве и эксплуатации метантенков. Результатом явился ряд конструкций (рис. 15.14), построенных и эксплуатируемых на различных очистных сооружениях. Корпусы метантенков выполнены из железобетона с предварительно напряженной арматурой. Минимальные затраты материалов и минимальные теплопотери достигнуты в метантенках яйцевидной формы.

Рис. 15.14. Развитие и применение конструкций метантенков:
а – Баден-Баден, 1250 м3; б – Висбаден, 3000 м3; в – Вупперталь, 6100 м3; г – Штутгарт, 7500 м3; д – Дюссельдорф, 8000 м3; е – Нюрнберг-Север, 10800 м3

В качестве утеплителей могут быть использованы пенополиуретан, минеральная вата, стекловолокно. Для сокращения затрат на теплоизоляцию стенок метантенка применяют обваловку резервуара грунтом, либо используют дополнительные ограждающие конструкции, создающие воздушную прослойку между несущей и утепляющей стенками метантенка.

Теплоизоляция купола метантенков выполняется из различных теплоизолирующих материалов. Например, на Курьяновской станции аэрации газо- и теплоизоляция железобетонного перекрытия метантенков выполнена из 4-5 слоев перхлорвиниловой массы, уложенной по всей его поверхности и покрытой цементной стяжкой. Далее уложен слой шлака толщиной 500 мм, прекрытый цементной стяжкой, а затем – трехслойная рулонная кровля.

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. С точки зрения режима подачи осадков наиболее рациональной является эксплуатация метантенков по прямоточной схеме, при которой загрузка и выгрузка осадков происходит одновременно и непрерывно (или с минимальными перерывами). Такой режим создает благоприятные температурные условия в метантенке, так как исключается охлаждение бродящей массы вследствие залповых поступлений более холодных сырого осадка и избыточного ила. Кроме того, такой режим обеспечивает равномерность газовыделения в течение суток.

В различных конструкциях метантенков подача осадка на сбраживание может осуществляться либо через общую для всех метантенков загрузочную камеру, либо насосом непосредственно в каждый метантенк. В том и другом случае должна быть обеспечена равномерность распределения нагрузки между отдельными сооружениями и возможность ее регулирования.

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 метантенках тепло расходуется непосредственно на подогрев загружаемого осадка до необходимой расчетной температуры, на возмещение потерь тепла, уходящего через стенки, днище и перекрытие метантенка, на возмещение потерь тепла, уносимого с отводимым из метантенка газом.

В отечественной 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.

За рубежом получили распространение спиральные теплообменники типа “осадок-осадок” и “ вода – осадок “.

Обобщенная принципиальная схема подогрева осадка для анаэробного сбраживания представлена на рис. 15.15.

Установка на линии выпуска сброженного осадка рекуперативного теплообменника типа “осадок-осадок” обеспечивает использование теплоты сброженного осадка для частичного подогрева осадка, подаваемого в метантенк, что сокращает расход энергии котельной установки на сбраживание осадков. Применение на второй ступени подогрева теплообменника типа “вода-осадок” обеспечивает дополнительный нагрев осадка. Наиболее эффективно применение этой схемы подогрева при термофильном сбраживании осадков.

Рис. 15.15. Принципиальная схема подогрева осадка для анаэробного сбраживания:
1 – загрузка осадка; 2 – паровой инжектор; 3 – метантенк; 4 – теплообменник “осадок-осадок”; 5 – пар; б – био-газ; 7 – котельная; 8 – горячая вода; 9 – теплообменник “вода-осадок”; 10 – охлажденная вода; 11 – подогретый осадок; 12 – сброженный осадок

Рис. 15.16. Схема подогрева циркулируемого осадка:
1 – загрузка осадка; 2 – метантенк; 3 – циркуляционный насос; 4 – теплообменник “вода-осадок”; 5 – сброженный цирку-лируемый осадок; 6 – горячая вода; 7 – охлажденная вода

На рис. 15.16 представлен вариант схемы подогрева осадка, в котором нагрев осадка совмещен с гидравлическим перемешиванием бродящей массы. Содержимое метантенка перемешивается насосом, обеспечивая, как минимум, трехкратный оборот осадка за 20 ч. Установленный на нагнетательной линии насоса теплообменник типа “вода-осадок” обеспечивает подогрев осадка и компенсирует все теплопотери метантенка (для мезофиль-ного процесса). Подогрев осадка полностью автоматизирован и управляется датчиком температуры, установленным на всасывающем патрубке циркуляционного насоса.

Система перемешивания бродящей массы. Перемешивание бродящей массы обеспечивает ее однородность во всем объеме метантенка. При загрузке холодного осадка в верхнюю зону метантенка, он как более холодный устремляется вниз. Одновременно пузырьки выделяющегося газа поднимаются вверх. В результате происходит перемешивание бродящей массы в вертикальном направлении. Если метантенк оборудован инжектором, его работа приводит к перемешиванию осадка в горизонтальной плоскости. Однако эти процессы, сопровождающие процесс сбраживания, не могут обеспечить полного перемешивания содержимого метантенка.

Специальные системы перемешивания используют для этой цели циркуляционные насосы, пропеллерные мешалки или перемешивание с помощью газа.

С помощью циркуляционных насосов обеспечивается рециркуляция бродящей массы со дна в верхнюю часть метантенка. Обязательным условием применения такой системы является наличие в конструкции метантенка конусного днища, что предотвращает образование мертвых зон. Перемешивание ведется до тех пор, пока не произойдет полный обмен бродящей массы.

В некоторых конструкциях отечественных 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. Принципиальная схема метантенка с газолифтным перемешиванием показана на рис. 15.17. Увеличение глубины подачи газа при одинаковом его расходе повышает эффективность перемешивания.

Рис. 15.17. Перемешивание в метантенке по газолифтному методу:
1 – стояк для подъема осадка;
2 – камера сбраживания метантенка; 3 – газопровод; 4 – трубопровод сброженного осадка;
5 – циркуляционный насос;
6 – выпуск сброженного осадка

Если сконцентрировать поток газа непосредственно в центре донной части метантенка и подавать его через специальные диффузоры, можно добиться, при соответствующем соотношении диаметра и высоты конусного днища, сильного перемешивающего водоворота от центра к периферии. Благодаря мощному рециркулирующему эффекту использование такой системы перемешивания газом допускает конструкцию метантенка с небольшим уклоном днища.
Система сбора и отвода газа. Для сбора газа на горловине метантенка устанавливают газовые колпаки. Для транспортирования газа прокладывается специальная газовая сеть из стальных труб с усиленной противокоррозионной изоляцией.

В процессе сбраживания осадков выделение газа 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. Вес колокола уравновешивается противодавлением газа. Благодаря этому при изменении объема газа под колоколом давление в газгольдере и газовой сети остается постоянным. При невозможности сбора газа метантенков, предусматривают его сжигание, используя специальное устройство – газовую свечу.

Если суточная доза, определенная по формуле (15.41), менее указанной в табл. 15.12 для заданной влажности осадка, то объем метантенка необходимо откорректировать с учетом дозы загрузки. Если суточная доза равна или превышает приведенную в табл. 15.12, то корректировка не производится.
Кроме определения объема метантенка, производится расчет вспомогательных устройств, приспособлений для перемешивания и подогрева осадка, газового хозяйства и пр.

Интенсификация работы метантенков. Поскольку метантенки относятся к сложным и дорогим, но весьма эффективным сооружением, обеспечивающим высокое качество сброженного осадка и получение энергии в виде биогаза, весьма актуальными являются вопросы интенсификации их работы.

Интенсификация работы метантенков необходима для достижения следующих целей: – сохранение продолжительности сбраживания и тем самым уменьшение объемов сооружений при одновременном обеспечении заданной степени распада органического вещества осадка; – повышение выхода биогаза для получения энергии и сокращения затрат не только на обогрев метантенков, но и очистных сооружений в целом; – улучшение водоотдающих свойств сброженного осадка и сокращение затрат на его обезвоживание.
Выбирая способ интенсификации работы метантенков, необходимо четко определить, какие цели должны быть достигнуты, так как не всегда возможно достичь всех указанных целей одновременно.

Современные приемы интенсификации работы метантенков следует разделить на две группы: – усовершенствование традиционной технологии сбраживания в одноступенчатом метантенке; – использование ступенчатых схем сбраживания с созданием в каждой ступени различных условий проведения процесса.

Основными приемами интенсификации работы метантенков, которые могут быть отнесены к первой группе, являются: повышение температуры сбраживания, эффективности перемешивания осадка в метантенке, переход на его непрерывную загрузку и выгрузку, повышение концентрации загружаемого осадка и биомассы микроорганизмов за счет ее рециркуляции или удержания на носителях, подготовка осадка к сбраживанию. Первые три приема были рассмотрены выше.

Повышение концентрации загружаемого осадка. При традиционной технологии сбраживания в метантенке загружается смесь сырого осадка и уплотненного избыточного активного ила с концентрацией сухого вещества 25-35 кг/м3 (влажность 97,5-96,5%). При такой сравнительно низкой концентрации исходного субстрата трудно поддержать высокую нагрузку по беззольному веществу и одновременно обеспечить достаточную продолжительность процесса.

Критической концентрацией органического вещества в загружаемом осадке SKp, при которой может быть достигнут максимальный выход газа и надежное протекание процесса, является 64-93 кг/м в зависимости от температуры и принятых пределов сбраживания.

Значительно реже используется технология рециркуляции сброженного осадка, позволяющая увеличить концентрацию микроорганизмов, участвующих в процессе.

Перспективным является использование реакторов с неподвижным слоем загрузки для прикрепления (иммобилизации) микроорганизмов. Это позволяет поддерживать повышенные концентрации биомассы и тем самым обеспечивать высокие скорости процесса, большую устойчивость работы сооружения при колебании температуры, повышать метаболическую активность микроорганизмов за счет развития специфических видов по поверхности носителя, получать отработанную биомассу (сброженный осадок), обладающую хорошей способностью к обезвоживанию и т.д. При практической реализации этой технологии необходимы твердые носители, обеспечивающие закрепление бактериальной клетки на их поверхности, а также способы крепления носителей в существующих или специально разрабатываемых конструкциях метантенков.

Ступенчатые схемы работы метантенков. К интенсивным технологиям метанового сбраживания, многие из которых нашли практическое применение, относятся ступенчатые схемы работы метантенков. Наиболее широко применяются схемы дву



Похожие статьи:
Депонирование осадков сточных вод

Навигация:
ГлавнаяВсе категории → Очистка сточных вод

Статьи по теме:





Главная → Справочник → Статьи → БлогФорум