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.

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.

Различают четыре основных температурных режима в метантенках: психрофильный - до 20°С; мезофильный - от 20 до 40°С; термофильный - от 50 °С и экстратермофильный - 65⁰С.

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.

Термофильный режим сбраживания 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 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.

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. 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.

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

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.

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 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.

Система сбора и отвода газа. Для сбора газа на горловине метан­танка устанавливают газовые колпаки. Для транспортирования газа про­питывается специальная газовая сеть из стальных труб.

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 ни роликах по вертикальным направляющим. При невозможности сбора газа метантенков, предусматривают его сжига­ние, используя специальное устройство - газовую свечу

Аэробная стабилизация осадков сточ­ных вод - процесс окисления эндогенных и экзогенных органических суб­стратов в аэробных условиях. В отличие от анаэробного сбраживания аэробная стабилизация протекает в одну стадию:

С последующим окислением HN3до N02.

Аэробной стабилизации может подвергаться неуплотненный и уп­лотненный избыточный активный ил и его смесь с осадком первичных от­стойников. При стабилизации только активного ила процесс можно рас­сматривать как завершающую ступень очистки сточных вод, когда при ми­нимуме растворенных питательных веществ происходит самоокисление клеточного вещества микроорганизмов. В этом случае продолжительность стабилизации ила связана с его возрастом. Чем больше возраст ила, тем короче период стабилизации. При стабилизации смеси ила с осадком про­исходит выделение ферментов, катализирующих окисление экзогенных субстратов осадка. Степень распада органического вещества и продолжи­тельность процесса зависят от соотношения количеств сырого осадка и активного ила, концентрации органических веществ, интенсивности аэрации, температуры и пр. Процесс аэробной стабилизации обычно происходит и психрофильно-мезофильной зоне жизнедеятельности микроорганизмов. В процессе аэробной стабилизации при мезофильных температурах наблюдается снижение содержания кишечной палочки и других патогенных бактерий и вирусов на 70-90%, однако при этом яйца гельминтов не погибают.

Продолжительность процесса - 2-5 сут для неуплотненного ила. 6-7 сут для смеси неуплотненного ила и осадка из первичных отстойников и 8-12 сут для смеси уплотненного ила и осадка.

За счет тепла, выделяющегося в стабилизаторах, при определенных условиях температура может быть поднята до 50--60 °С, что соответствует термофильному режиму. Термофильная стабилизация по сравнению с мезофильной обладает рядом преимуществ. Главными из них являются уве­личение глубины разложения органического вещества, большая скорость процесса, снижение объемов сооружений, улучшение седиментационных и фильтрационных характеристик, а также стерильность обработанного осад­ка, гибель семян сорняков.

Аэробная стабилизация осадков проводится обычно в сооружениях типа аэротенков глубиной 3-5 м.

Отстаивание и уплотнение аэробно стабилизированного осадка следует производить в течение 1,5-5 ч в отдельно стоящих илоуплотнителях или в специально выделенной зоне внутри стабилизатора. Влажность уплотненного осадка 96,5-98,5%. Иловая вода должна направляться в аэротенки.

А эробная стабилизация осадков обеспечивает получение биологи­чески стабильных продуктов, хорошие показатели влагоотдачи, простоту эксплуатации и низкие строительные стоимости сооружений. Однако зна­чительные энергетические затраты на аэрацию ограничивают целесообраз­ность использования этого процесса на очистных сооружениях производи­тельностью более 50-100 тыс. м3/сут.

19. Фазы анаэробного разложения, сущность процессов, происходящих при сбраживании. Пути интенсификации анаэробного сбраживания.

Согласно современным представлениям анаэробное метановое сбраживание включает четыре взаимосвязанные стадии, осуществляемые разными группами бактерий

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 летучих жирных кислот, аминокислот и спиртов в уксусную кислоту осуществляется двумя группами ацетатогенных бактерий. Первая группа, образующая ацетаты с выделением водорода из продуктов предшествующих стадий, называется ацетатогенами, образующими водород:

Вторая, также образующая ацетаты и использующая водород для восстановления диоксида углерода, называется ацетатогенами, использую­щими водород:

4. Метаногенная стадия, осуществляемая медленнорастущими бактериями, являющимися строгими анаэробами, весьма чувствительными к изменениям условий среды, особенно к снижению рН менее 7,0 - 7,5 и температуры. Разные группы метаногенов образуют метан двумя путями:

расщеплением ацетата:

О

восстановлением диоксида углерода:

По первому пути образуется 72% метана, по второму - 28%.

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", дли трофических систем при метановом сбраживании характерно использование продуктов метаболизма одних групп бактерий другими. Первичные факультативные анаэробы осуществляют стадии гидролиза и кислотообразования, 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.

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.

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