3.5. Метантенки как эффективный способ для переработки сточных вод

Наличие метантенков позволяет полностью разложить содержащиеся загрязнители и выделять из сточных вод газ метан, для дальнейшего его использования. Принципы и технологии биологической обработки сточных вод в метантенках изложены в [2].

Получение в ходе обработки сточных вод метана всегда приводит к росту эффективности работы станции, в ряде случаев обеспечивается самоокупаемость. Самым простым способом использования метана – это превращение его в источник тепловой, механической и электрической энергии. Крупные очистные станции, вполне вероятно, могли бы быть выгодной базой для создания некоторых химических производств, вырабатывающих ценные продукты.

Получение тепловой, механической и электрической энергии. Выделяемый метантенками газ характерен содержанием чистого метана (до 60 – 70%), углекислоты (26 – 34%), азота (1 – 3%), водорода (1 – 3%) и следов сероводорода. Теплотворная способность такого газа обычно колеблется от 20,9 до 2700 кДж/кг. Температура горения чистого метана 1300 – 1400° С. 1 м³ газа из метантенков дает примерно 6,5 кг пара; 1000 м³ газа заменяет 0,8 т условного топлива.

Метан имеет ряд существенных преимуществ по сравнению с другими видами газообразного топлива. Это полнота сгорания, отсутствие шлаков, копоти и сажи, что существенно снижает экологическую нагрузку на окружающую среду. Кроме этого сжигание метана в котельной на очистных сооружениях позволяет обогревать метантенки для поддержания оптимального процесса очистки, осуществлять теплоснабжение очистной станции в целом. Сжигание осуществляется совместно с природным газом. Это обусловлено высокой влажностью получаемого метана. Установка дополнительных очистных и осушающих устройств как правило, экономически нецелесообразна. Кроме того, природный газ необходим для компенсации неравномерности выработки метана. Поскольку потребление электроэнергии на очистных сооружениях составляет 60-70% всех эксплуатационных расходов, целесообразно использование метана для генерации электрической энергии для покрытия нужд станции. Генерация осуществляется путем сжигания в газовых турбинах. Организация энергетического хозяйства на очистных сооружениях по сути предусматривает устройство мини-ТЭЦ.

Для энергетического использования газ из метантенков направляется в газовые двигатели; при этом одна часть топлива превращается в механическую или электрическую энергию, а другая уносится вместе с охлаждающей водой и выхлопными газами. Расход газа для получения мощности 1 л. с. в 1 ч составляет 0,3 – 0,6 м³. Если исходить из теплового баланса газового двигателя, то можно считать, что на полезную механическую работу расходуется 20 – 25% тепла, вводимого в двигатель, а вместе с потерями на трение – до 32%. Остальное тепло газа уносится с охлаждающей водой (30 – 38%) и с выхлопными газами (38 – 30%).

От двигателя охлаждающая вода с температурой 70 – 90°С может быть направлена по циркуляционной системе в метантенки или в систему водяного отопления и горячего водоснабжения. После охлаждения вода снова возвращается в двигатель. При такой системе почти все тепло охлаждающей воды может быть использовано, за исключением потерь (которые не превышают 10%) в трубах. Таким образом, от каждого 1 м³ газа с теплотворностью 25 000 кДж можно получить 6 000 – 8 000 кДж тепла из системы охлаждения. При использовании выхлопных газов в теплообменнике температура этих газов падает с 600 – 700 °С до 120 – 160°С, что составляет 5 000 – 6 200 кДж от 1 м³ газа, сжигаемого в двигателе.

При использовании газа метантенков в газовых двигателях для выработки электроэнергии из 1 м³ газа можно получить до 1,5 – 2 кВт·ч электрической энергии.

За последние годы используются газовые двигатели, работающие на двойном топливе, смеси газа (93 – 98%) и жидкого топлива (2 – 7%), что позволяет увеличить выработку до 20%. К тому же такие двигатели имеют большой срок службы, низкие габариты по сравнению с поршневыми двигателями внутреннего сгорания.

Газ как заменитель бензина. Перевод автотранспорта на газообразное топливо приводит к повышению экологичности, что особенно актуально для крупных городов. Газ из метантенков является высококалорийным горючим. Его теплотворная способность равна 20 000 – 27000 кДж/м³, а после удаления углекислоты достигает 33500 кДж/м³. Для транспортабельности газ сжимают под давлением 200 – 350 атм и хранят в баллонах, установленных на автомашинах. 1,2 м³ газа из метантенков эквивалентны 1 л бензина. При давлении, например, 200 атм в баллон емкостью 50 л вмещается до 10 м³ газа.

Получение сухого льда из углекислоты, содержащейся в газе метантенков. Газ из метантенков состоит главным образом из метана СН₄ (около 70%) и углекислоты СО₂ (около 30%). Сухой лед, хотя он и значительно дороже обычного, имеет существенные преимущества. При равной холодопроизводительности он занимает объем, примерно в 5 раз меньший, чем речной лед, удобен при перевозке и хранении продуктов, не выделяет воды.

Существующие заводы сухого льда обычно в качестве сырья для продукции употребляют антрацит, который при сгорании выделяет углекислоту. На очистных станциях себестоимость сухого льда из углекислоты, полученной от газа метана, будет в 1,7 – 2 раза дешевле продукции, производимой углекислотными заводами, работающими на антраците.

Перспективы химического использования газа. На рис. 69 показаны многие ценные продукты, которые могут быть получены на базе природного газа. Ниже кратко излагаются методы получения некоторых химических продуктов в зависимости от того или иного способа обработки метана.

Сжигание. При неполном сжигании метана остается 3 – 7% высококачественной сажи, которая применяется как красящее вещество и сырье для резиновой промышленности.

Электротермическая обработка. При ионизации газа с помощью тока высокого напряжения и большой частоты образуется ацетилен в соотношении 1 м³ чистого метана – 340 л ацетилена. Ацетилен нашел широкое применение в химической промышленности как сырье для получения уксусной кислоты, негорючих растворителей (трихлорэтилен), даже синтетического каучука (хлоропрен, дюпрен).

Окисление. При пропускании смеси метана с воздухом через нагретые до 500° С трубки с катализатором образуется формальдегид, который в дальнейшем может быть использован для получения ацетона, пластмасс, бакелита, карболита. При окислении метана получают и метиловый спирт, применяемый в промышленности.

Хлорирование. Применяют для получения синтетических красителей, фармацевтике. При температуре 200 – 400° С происходит химическая реакция с хлором с образованием хлористого метана, метилена, хлороформа или четыреххлористого углерода. Выход того или иного вещества зависит от соотношения компонентов.

Следует подчеркнуть значение четыреххлористого углерода ССl₄ как исключительно сильного средства для тушения пожаров. Этот продукт может быть также использован и в резиновой промышленности как растворитель. Является вполне рентабельным получение четыреххлористого углерода из газа метантенков на крупных очистных станциях.

Рис. 69. Продукты химической переработки метана

Конверсия. Процесс конверсии предполагает распад метана на составляющие при высоких температурах. Так, при 1000 – 1100 °С из одного объема метана получают 2 объема водорода. При наличии катализатора, дополнительно выделяется и углерод. Дальнейшее смешивание компонент при определенных условиях может привести к образованию метилового или этилового спирта, а также компонентов для получения лаков и красок, растворителей, синтетического каучука. Газ, используемый для резки и сварки металлов путем конверсии метана имеет себестоимость более низкую по сравнению а ацетиленом.

Термическая обработка. Этим способом можно получить жидкое топливо в виде бензола и других химических продуктов. Однако он менее выгоде по сравнению с электротермической обработкой. Одним из побочных продуктов термической обработки является углекислота, которую целесообразно использовать для получения сухого льда.

Рис. 70. Станция метантенков Австрия

Рис. 71. Станция метантенков Подмосковье

В настоящее время, как в России, так и за рубежом действуют станции метантенков для переработки сточных вод.

Метантенк изготавливается как правило, из железобетона и представляет собой цилиндрический резервуар с коническим днищем, предназначенный для сбраживания осадка. Для ускорения процессов брожения в метантенке используют подогрев осадка и его перемешивание. Осадок подогревают обычно до температуры 33 – 53 °С острым паром, подаваемым с помощью эжектора.

Кроме того, осадок можно подогревать в теплообменных аппаратах вне метантенка. Перемешивают осадок либо с помощью насосов, забирающих его из нижней части камеры и подающих в верхнюю часть, либо гидроэлеваторами с насосами или специальными мешалками.

Обычно в метантенки подается смесь сырого осадка из первичных отстойников и уплотненного избыточного активного ила из вторичных отстойников. Допускается подача в метантенки и других сбраживаемых органических веществ после их дробления (отбросов с решеток, домового мусора, промышленных отбросов органического происхождения и т. п.).

Процессы брожения осадка в метантенках в основном аналогичны таким же процессам в двухъярусных отстойниках, но в результате искусственного повышения температуры и перемешивания распад сложных органических веществ идет значительно быстрее. Определяющим для брожения является наличие щелочной среды. Нормальные условия для брожения создаются в щелочной среде. При минерализации органических веществ осадка и ила в процессе брожения наблюдается выделение продуктов распада в газ и в воду.

В зависимости от температуры сбраживания различают мезофильный режим (при температуре 33 °С) и термофильный (при температуре 53 °С). Режим выбирают на основании технико-экономических расчетов с учетом методов последующей обработки и утилизации осадков и санитарных требований. Количество образующихся газов (метана и угольной кислоты) зависит от количества и состава осадка, а интенсивность их выделения – от температуры брожения и режима загрузки метантенка свежими порциями осадка. Исследования показали, что в метантенках степень распада органического вещества составляет в среднем 40%. Наибольшему распаду подвергаются жироподобные вещества и углеводы. При сбраживании выделяются газы: метан – примерно 63 – 64% и угольная кислота – 32 – 33%.

Ход распада органических веществ зависит в основном от дозы загрузки по объему и продолжительности сбраживания. Доза загрузки – один из важнейших технологических параметров, определяющих степень распада органических веществ в метантенке. Она выражается в процентах и показывает, какую часть объема метантенков составляет суточный объем загружаемого осадка.

Продолжительность сбраживания, сутки, является обратной величиной дозы загрузки. Так, при дозе загрузки 8% продолжительность сбраживания составляет 13,5 суток.

По конструктивным признакам метантенки бывают с неподвижным незатопленным и подвижным перекрытием.

Рис. 72. Метантенк станции аэрации: 1 – мягкая кровля; 2 – кирпич; 3 – шлак; 4 – смотровой люк; 5 – труба для выпуска газа в атмосферу; 6 – газопровод для газового колпака; 7 – газовые колпаки; 8 – пропеллерная мешалка; 9 – переливная труба; 10 – трубопровод для загрузки сырого осадка и активного ила; 11 – трубопроводы для удаления иловой воды и выгрузки сброженного осадка с разных горизонтов; 12 – паровой инжектор для подогрева метантенков; 13 – трубопровод для выгрузки сброженного осадка из конусной части метантенка; 14 – термометр сопротивления; 15 – трубопровод для опорожнения метантенка (в футляре)

Наибольшее распространение в отечественной практике получили метантенки с неподвижным незатопленным перекрытием. На рис. 72 представлена конструкция метантенка станции аэрации: диаметр 24 м, общая глубина 19,6 м и полезный объем 5200 м³, перекрытие полусферическое, диаметр горловины 4 м, ее высота 2,5 м. Газо- и теплоизоляция бетонного перекрытия метантенков выполнены из четырех-пяти слоев перхлорвиниловой массы, уложенной по бетону и покрытой цементной стяжкой. Затем уложен слой шлака толщиной 50 см, также покрытый цементной стяжкой, а сверху – трехслойной рулонной кровлей. В этих метантенках осадок перемешивают мешалками либо гидроэлеватором, а подогревают острым паром.

Газ, образующийся в метантенке, можно использовать в качестве топлива в котельных установках. При неполном использовании выделяющегося газа давление его в метантенке увеличивается, что может вызвать прорыв водяного затвора, находящегося в газовом колпаке. Гораздо опаснее обратное явление, т.е. образование вакуума внутри метантенка и засасывание в газовое пространство воздуха, который в смеси с газом может образовать горючую взрывоопасную смесь. Давление газа регулируют с помощью мокрого газгольдера, который поддерживает в газовой линии и внутри метантенка давление 0,2 м вод. ст.

Наиболее рациональной является эксплуатация 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 ила, и обеспечивает равномерное газовыделение в течение суток. Осадок подается через дозирующую камеру в верхнюю зону метантенка и выгружается из конусной части днища.

За рубежом получила распространение двухступенчатая обработка осадка в метантенках: первая ступень выполняется в виде закрытых подогреваемых метантенков, вторая ступень часто представляет собой открытые неподогреваемые метантенки. На второй ступени осадки не сбраживаются, а уплотняются, и твердая часть отделяется от иловой воды. Сбраживание в двухступенчатых метантенках не имеет преимущества в степени распада беззольного вещества по сравнению с одноступенчатыми метантенками равного объема, но позволяет примерно вдвое уменьшить объем осадка за счет удаления иловой воды. Двухступенчатое сбраживание обеспечивает более устойчивый процесс в условиях неравномерного притока сточных вод на станцию.

Двухступенчатые метантенки рекомендуется проектировать для районов со среднегодовой температурой воздуха не ниже 6 °С и при ограниченности территории для размещения иловых площадок. Метантенки первой ступени рассчитывают как метантенки, работающие в мезофильных условиях, а второй ступени — по суточной дозе загрузки 4%. Последние должны оборудоваться механизмами для сгребания образующейся корки.

Метантенки второй ступени представляют собой земляные резервуары, облицованные бетоном или камнем. Глубина резервуаров при небольших их размерах 3—5, при больших – 5 – 12 м. Осадок подается рассредоточений на половину глубины, а выпуск уплотненного осадка производится с нескольких уровней и со дна. Влажность выгружаемого осадка 92 – 94%.

Как уже указывалось, осадок в метантенках подогревается различными способами. В отечественной практике наибольшее распространение получил способ подогрева острым паром. Пар низкого давления с температурой 100 – 110 °С подается во всасывающую трубу насоса, который перекачивает осадок в метантенк, или пар подается в метантенк с помощью инжектирующих устройств. Пар смешивается с осадком, конденсируется и нагревает его.

Широко применяется подача пара пароструйным инжектором. Инжекторы устанавливают в галерее управления по одному агрегату на каждый метантенк. Забирая в качестве рабочей жидкости осадок из метантенков и подавая смесь этой жидкости и пара снова в метантенк, паровой инжектор обеспечивает и подогрев осадка, и частичное перемешивание бродящей массы. В зимний период инжектор работает 11 – 13 ч, а летом 3 – 4 ч в сутки. Перегретый пар целесообразно подавать в дозирующую камеру. При температуре подогрева осадка в камерах 70 – 80 °С происходит его дегельминтизация, что является обязательным условием в технологическом процессе обработки осадков на современных станциях.

Перемешивают осадок циркуляционными насосами с гидроэлеваторами или пропеллерными мешалками. Осадок целесообразно перемешивать в течение 5 – 10 ч в сутки. Гидроэлеваторы надежны в эксплуатации, но имеют низкий коэффициент полезного действия, поэтому их применяют только для метантенков объемом до 1700 м³.

Метантенки большего объема оборудуют пропеллерными мешалками.

Для транспортирования газа из метантенков необходимо обустройство газовой сети. С целью исключения неравномерности поступления, на концевых участках устраивают аккумулирующие газгольдеры, которые выравнивают давление газа в сети. Емкость газгольдеров определяется в соответствии с графиком выхода и потребления газа. При отсутствии графика принимается емкость, равная 3-х часовому притоку газа. Газовая сеть устраивается из стальных труб на сварке с усиленной и противокоррозионной изоляцией и укладывается на глубине промерзания (но не менее 0,9 м) или утепляется при прокладке по поверхности земли. Эксплуатация газгольдеров заключается в ежедневном учете количества поступающего и расходуемого газа и обеспечении бесперебойной работы всех узлов сооружений.

Для предотвращения замерзания воды в резервуаре газгольдера в зимнее время нужно следить за подогревом ее до температуры не ниже +5 °С.

При заполнении газгольдера газом должна быть обеспечена определенная глубина гидрозатвора. Она предусматривается с учетом возможности перекоса подвижного звена, запаса высоты в случае образования волн на наружной поверхности воды в гидрозатворе и запаса глубины для предотвращения просачивания газа через воду над прокладкой в нижней части гидрозатвора.

В крышке колокола установлен манометр в виде изогнутой трубки по уровню воды, по которому можно следить за нормальным ходом подъема колокола. Заклинивание и задержка при подъеме вызывают дополнительное давление и сопротивление.

Главными контролирующими величинами, характеризующими работу метантенков, являются выход газа и его состав, летучие жирные кислоты (ЛЖК), рН, общая щелочность, запах сбраживаемого осадка. В нормальном режиме эксплуатации метантенков с мезофильным режимом сбраживания существуют оптимальные диапазоны этих параметров.

Две стадии (фазы) сбраживания, характерные для всех видов анаэробных процессов, проявляются при мезофильном режиме в виде стадий разжижения и газообразования. На первой стадии образуются ЛЖК, на второй — метанообразующие бактерии продуцируют метан из этих кислот или спиртов. Эти виды бактерий очень чувствительны к изменению рН, максимум их активности приходится на диапазон рН от 6,8 до 7,2. Если произведено слишком большое количество ЛЖК, величина рН падает и это сдерживает биологический процесс.

Успешная эксплуатация метантенков может быть нарушена попаданием веществ, токсически влияющих на анаэробную микрофлору: ионов тяжелых металлов (меди, никеля, цинка), избытка ионов аммония, сульфидов, цианидов, фенолов, высококонцентрированных поверхностно-активных веществ (ПАВ). Поэтому при нарушениях работы метантенков, но при благоприятных главных условиях протекания процесса нужно произвести химический анализ указанных ингредиентов.

Таким образом, основой поддержания оптимальных параметров эксплуатации метантенков прежде всего является успешная работа сооружений, в которых образуются осадки и формируется состав. Только комплексный подход к технологии эксплуатации может дать желаемый эффект.