МЕТАНТЕНКИ

 Более совершенными сооружениями для сбраживания осадков являются метантенки. 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.

За рубежом в основном применяется ме-зофильный процесс. В СССР наряду с ме-зофильным сбраживанием широкое распространение получил и 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. На  4.50 показаны зависимости сроков сбраживания от температуры, а также ход процесса при мезофильном и термофильном сбраживании.

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 мезофильном 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 в иловую воду и приводит к значительным изменениям в химическом составе сброженной смеси.

Дополнительно по теме канализация:

Общий объем бродящей смеси практически не изменяется и, 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 РТ, либо по убыли беззольного вещества Рьэ- В первом случае массу газа выражают в процентах от массы загруженного беззольного вещества. Распад по газу показывает, какая часть беззольного вещества превратилась в процессе брожения 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 Рт и Рбз могут совпадать или значительно отличаться друг от друга. Для метантенков высоконагружаемых Рт обычно больше Рбз-Обратное соотношение Рба>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

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.

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 широкое применение нашли прямолинейная и степенная зависимости степени распада беззольного вещества от дозы загрузки метантенков. Влияние других параметров (таких, как влажность, температура, состав осадка) учитывается введением в уравнение коэффициентов, полученных экспериментально.

Зависимости, предложенные А. А. Карпинским и АКХ, действительны в определенных интервалах исследованных доз загрузки и не могут быть распространены на широкий диапазон изменения доз, так как теряют при этом физический смысл. На наш взгляд, следует стремиться к нахождению кинетических зависимостей, отражающих существо процесса и охватывающих максимальное число параметров, влияющих на процесс.

Метантенки проектируются   в   виде   герметических   резервуаров с подвижным (плавающим), и неподвижным перекрытием.

 К числу достоинств метантенков с плавающим перекрытием ( 4.54) относится 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.

Наибольшее распространение в отечественной практике получили метантенки с неподвижными перекрытиями

На  4.56 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 назначается исходя из нагрузки по объему выходящего газа — 700—1200 м3/м2 в сутки.

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 уложен 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  происходит  одновременно и  непрерывно.

Такой режим создает благоприятные температурные условия в метан-тенке, так как исключается охлаждение бродящей массы от залповых поступлений более холодного сырого осадка и обеспечивает равномерное газовыделение в течение суток.

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

 В конструкции метантенков Курьяновской станции аэрации (см.  4.56) 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.

Метантенки больших размеров получают все более широкое применение. Так, объем каждого резервуара метантенков на очистной станции Могден (Англия) равен 3800 м3, в Буффало (США) —5660 м3, в Детройте (США) —8500 м3.

Крупноразмерные метантенки построены и на Ново-Курьяновской станции аэрации

Осадок в метантенке подогревается, как уже говорилось, 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 СССР получил способ подогрева осадка острым паром. Пар низкого давления с 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 метан-тенков и подавая смесь этой жидкости и пара снова в метантенк, паровой инжектор обеспечивает и подогрев осадка, и частичное перемешивание бродящей массы. Паровые инжекторы, установленные на метантенках Курьяновской станции аэрации, оказались удобными и надежными в эксплуатации.

В зимний период инжектор работает в течение 11 —13 ч, а летом — 3—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 является обязательным условием в технологическом процессе 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: а) на непосредственный подогрев загружаемого осадка до необходимой расчетной температуры; б) на возмещение потерь тепла, уходящего через стенки, днище и перекрытие метантенка; в) на возмещение потерь тепла, уносимого с уходящими газами.

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 вновь поступившей его 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. Гидроэлеватор надежен в эксплуатации. Однако коэффициент полезного действия таких установок крайне низкий, поэтому их применяют только для метантенков вместимостью до 1700 м3. Метантенки большей вместимости оборудуют пропеллерными мешалками. В частности, такая мешалка установлена в метантенке Курьяновской станции (см.  4.56). Мешалка имеет диаметр 750 мм, производительность 900 л/с, напор 1,15 ми частоту вращения винта 270 мин-1. Винт насоса ЗОПР-70 изготовлен по специальному заказу. 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 (табл. 4.34).

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.

Двухступенчатое сбраживание не имеет преимущества в степени распада беззольного вещества по сравнению с одноступенчатыми метан-тенками 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.

При двухступенчатой схеме для метантенков первой ступени принимается мезофильный режим сбраживания. Вторая ступень обычно проектируется в виде открытых необогреваемых резервуаров, поэтому применение двухступенчатой схемы целесообразно в районах со среднегодовой температурой воздуха не ниже 6° С. Доза загрузки метантенков второй ступени принимается 3—4%.

Метантенки такого типа построены в Лейпциге и Дрездене.

Двухступенчатые метантенки представляют собой земляные резервуары, облицованные обычно бетоном или камнем. Глубина резервуаров при небольших их размерах 3—5 м, при больших 5—12 м; крутизна откосов соответственно 1:1,5 или 1:2. Осадок подается рассредоточенно на половину глубины, а выпуск уплотненного осадка производится с нескольких уровней и со дна.

Для транспортирования газа из метантенков прокладывают специальную газовую сеть. Вследствие того, что газ поступает из сооружения неравномерно, целесообразно на тупиковых концах сети устраивать аккумулирующие газгольдеры, которые выравнивают давление газа в сети.

Газовую сеть из стальных труб на сварке с усиленной и противокоррозионной изоляцией укладывают ниже глубины промерзания (но не менее 0,9 м) или утепляют (при прокладке по поверхности земли).

Для приема газа из метантенков используют мокрые газгольдеры, каждый из них состоит из резервуара, заполненного водой, и колокола, перемещающегося на роликах по направляющим. Вес колокола уравновешивается противодавлением газа. Благодаря этому при изменении объема газа под колоколом давление в газгольдере и газовой сети остается постоянным.

Мокрые газгольдеры сооружаются по типовым проектам, разработанным в конструктивной части институтом Проектстальконструкция, а в остальных частях — Научно-исследовательским проектным институтом газовой промышленности.

Вместимость газгольдеров назначается в соответствии с графиком выхода и потребления газа. При отсутствии графика принимается емкость, равная 3-часовому притоку газа.

Газ, получаемый в метантенках в результате процесса сбраживания осадка, используется на энергетические нужды канализационных станций: 1) непосредственно в качестве горючего в котлах с газовыми горелками, для обогрева метантенков и отопления зданий очистных станций и поселков при них; этот способ использования газа является самым распространенным; 2) в газовых двигателях, приводящих в движение генератор, насосы и воздуходувки; при этом расход газа на 735,5 Вт мощности двигателя составляет для дизелей 0,3—0,6 м3, для карбюраторных, бензиновых или керосиновых двигателей 0,45—0,65 м3; 3) в качестве горючего для автомашин и бытового газоснабжения районов путем заполнения баллонов из газонаполнительной станции.

Метантенки и газгольдеры — сооружения взрывоопасные, поэтому их следует располагать на расстоянии не менее 40 м от основных сооружений станции, автомобильных и железных дорог и высоковольтных линий. На огражденной территории метантенков курить и разводить открытый огонь запрещается. Во всех помещениях пусковые и токоведу-щие устройства должны монтироваться во взрывобезопасном исполнении. Для проверки наличия газов необходимо пользоваться взрывобезо-пасной шахтерской лампой. Во избежание искрообразования в камерам нужно работать инструментом из цветного металла. Перед спуском в камеру необходимо ее проветрить в течение 10—15 мин ручным вентилятором или компрессором Замерзшие участки газопроводов следует ооогревать паром, горячим песком или горячей водой.