Пречистване на отпадни води
Начало > Екология > Статии > Сп. Инженеринг ревю - брой 3, 2010
Съоръжения за анаеробно стабилизиране на утайките, метантанкове
В процеса на пречистването на отпадните води основните замърсяващи вещества се отделят във вид на утайки. Обезвреждането им е сред най-трудно изпълнимите и скъпи етапи от пречистването на отпадните води. Един от основните процеси, използвани за обработка на утайките, е стабилизирането. Целта на този процес е разграждане на органичните вещества, с оглед предпазване на околната среда от разпространяване на зловонни газове и зарази. Процесът на стабилизиране би могъл да се извърши по анаеробен и аеробен начин. Обект на разглеждане в настоящата статия е едно от най-широко използваните изгнивателни съоръжения за анаеробно биологично стабилизиране на утайките от средни и по-големи населени места - метантанковете. Освен тях, за стабилизиране на утайките се използват също и открити изгниватели, двуетажни утаители и избистрители-изгниватели, които са комбинирани съоръжения, използвани при механичното пречистване на водите.
Процесите, протичащи в метантанковете
Най-общо метантанковете представляват съоръжения, в които протича ускорено анаеробно стабилизиране на утайките при изкуствено създадени условия. Използват се предимно при големи и средни като капацитет пречиствателни станции за анаеробно третиране на отпадни води с висока концентрация на замърсителите. Създадените в тях своеобразни изкуствени екосистеми предлагат оптимални условия за протичане на метановата фаза. Подаваните в метантанка пресни утайки се смесват с изгнилите утайки за “подквасване”, като едновременно с това се подлагат на интензивно разбъркване и подгряване, с което се ускорява процесът. Полученият продукт е биологичен газ (биогаз), съдържащ предимно метан, който се отвежда в газхолдери с цел съхранение. Добре известно е, че метанът би могъл да се използва за производство на топла вода, пара и ел. енергия за задоволяване нуждите на пречиствателната станция или за други стопански цели.
Хомогенни и нехомогенни изгниватели
Тъй като утайките в метантанковете се подлагат на непрекъснато разбъркване, те се причисляват към хомогенните изгниватели. Към групата им се отнасят всички съоръжения, при които влажността и съдържанието на органични вещества в утайките са еднакви във всички точки на изгнивателния обем. Характерна особеност на хомогенните изгниватели е, че отделните частици на изгнилите утайки в тях са с различна степен на разграждане на органичните вещества. Причината е, че престояват различно време в изгнивателя. Като нехомогенни се определят изгнивателните съоръжения, при които влажността на утайките и съдържанието на органични вещества в тях са различни в отделните пластове на изгнивателния обем. Пример за нехомогенни изгниватели са изгнивателните камери на двуетажните утаители.
Допълнителното изкуствено затопляне на утайките, което се осъществява в метантанковете, осигурява ускорено протичане на процесите на минерализиране на органичните вещества. При неотопляваните съоръжения, процесът на стабилизиране на утайките протича при естествена температура, поради което изгниването им е сравнително бавен процес. Към неотопляваните съоръжения се отнасят двуетажните утаители и откритите изгниватели.
Конструкция на метантанковете
Като конструкция метантанковете представляват цилиндрични стоманобетонни резервоари с конични дъна и куполни покривни конструкции. Техни основни елементи са: стоманобетонен корпус, помпена станция, посредством която се подават утайките, системи за подгряване и разбъркване, системи за отвеждане на утайковата вода и изгнилите утайки, както и система за отвеждане на получения метан. В повечето случаи, управлението на целия комплекс е автоматизирано.
За събиране на отделилия се при изгниване на утайките газ, метантанковете разполагат с цилиндрична камера с похлупак. Обемът на камерата и площта на похлупака се определят в зависимост от очакваното количество на отделящия се газ от метантанка.
Котата на статичното ниво на утайките се приема за равна на 0,2 - 0,3 m под основата на камерата. За котата на динамичното ниво се приема 1 m под горния ръб на камерата. Тя е обусловена от размесването на утайките и разбиването на кората. Обикновено, за разбиване на образуващите се върху повърхността на изгнивателя кора от плаващи утайки и пяна, се предвиждат специални устройства.
Методи за разбъркване на утайките
Непрекъснатото разбъркване на утайките се осъществява чрез помпи, хидроелеватори, пропелерни бъркалки и др. Сред предпочитаните методи е използване на пропелерни бъркалки, тъй като с тях се постигат оптимални резултати, а разходът на електроенергия е с пъти по-нисък в сравнение с характерния за хидроелеваторите, например. Все по-често се практикува и смесване на суровите с гниещите утайки, което се осъществява посредством газа, отделян от самия метантанк и събиран в купола му. Използват се няколко метода за смесване на утайките чрез метана. Сред доказалите своята ефективност е подаването на газова струя в основата на изгнивателя, при което възниква интензивен размесващ поток от центъра към периферията. В изгнивателя газът се подава посредством дифузори или вертикални тръби. Следва да се има предвид, обаче, че ефективността на този метод зависи до голяма степен от съотношението между диаметъра на изгнивателя и височината му. Обикновено в процеса на оразмеряване на устройствата, използвани за разбъркване на утайките, се цели прехвърлянето на цялата утайка в съоръжението да се осъществи в продължение на интервала от 5 до 10 часа.
Директно и индиректно подгряване на утайката
Както вече бе споменато, допълнителното подгряване на утайките подпомага по-бързото протичане на процесите на минерализиране на органичните вещества. За целта се използват различни методи, които могат да се разделят в две основни групи - с директно и индиректно подгряване. Методите за директно подгряване на утайките се основават на използването на прегрята пара или на топла вода, които се подават директно - вътре в самия изгнивател. В последните години, като резултат от постигането на много добри резултати, се отдава предпочитание на използването на нисконапорна пара (до 0,5 atm) с температура 110 оС, която се подава в утайкопровода за пресни утайки. Методът дава възможност за затопляне на малък обем за кратко време, поради което се приема като много подходящ и за пастьоризиране на утайките.
При индиректното подгряване се използва принципът на топлообмена. Характерно за индиректното подгряване е, че през затворена система, състояща се от топлообменник и нагревател, циркулира топлоносител (гореща пара или топла вода). Топлообменниците, които се използват за подгряване на утайките, са вътрешни и външни, в зависимост от разположението им спрямо метантанка. Обикновено вътрешните топлообменници представляват серпентини от метални тръби, през които циркулира топла вода или пара с температура до 60 оС. Този вид топлообменници намират сравнително ограничено приложение, тъй като по време на работата им серпентината се покрива със слой от утайки, което значително влошава топлотехническите й характеристики. От разнообразните конструкции външни топлообменници, в практиката са се наложили предимно тръбните и спираловидните. Загряването на постъпващата или рециркулиращата утайка се осъществява при нейното преминаване през топлообменника. Все по-широко приложение намират спираловидните топлообменници, тъй като в сравнение с тръбните те имат по-добри топлотехнически показатели, както и около 10 пъти по-малка площ.
Мезофилно и термофилно гниене
В зависимост от температурата, при която протича процесът на гниене, метантанковете се разделят на два вида. Първият е т.нар. мезофилен метантанк, в който процесът протича при температури от порядъка на 32 - 35 оС. Вторият вид метантанк е термофилният, при който температурите са от порядъка на 52 - 55 оС. При мезофилното гниене се постига стабилност на режима и положителен топлинен баланс. Сред основните му предимства са и по-лесното обезводняване на изгнилите утайки; безпроблемната експлоатация и отсъствието на неприятна миризма и вредно влияние върху обкръжаващата среда.
Термофилното гниене, от своя страна, осигурява приблизително два пъти по-бързо протичане на процеса на стабилизиране на утайките, както и средно два пъти по-малък обем на метантанка, в сравнение с мезофилния режим. Съответно и количеството на отделяния газ, за едно и също време на протичане, е по-голямо. Друго основно предимство на термофилното гниене е постигането на пълна дехелминтизация на утайките и по-висок бактерициден ефект. Установено е, че в мезофилни условия се унищожават около 50 до 80% от яйцата на хелминтите.
Основни недостатъци на термофилния метод са свързани с отрицателния топлинен баланс, което е свързано с допълнително подаване на външна топлинна енергия; сравнително по-трудно обезводняване на изгнилите утайки, както и усложнената експлоатация. Затова, въпреки безспорните си предимства термофилният метод е по-слабо използван. В повечето държави, а и у нас, се предпочита прилагането на мезофилен процес.
Освен предимствата и недостатъците на процесите, при избора на режим на изгниване е препоръчително да се вземе предвид начинът на последващата обработка на утайките, оползотворяването им, както и санитарните изисквания. В повечето случаи изборът се базира на технико-икономически изследвания и сравнение на различни вариантни решения.
Едностепенни метантанкове
В зависимост от технологията, на базата на която се осъществява изгнивателният процес, се различават два вида метантанкове - едностепенни и двустепенни.
Конструктивно, едностепенните изгниватели представляват херметично затворени резервоари, които са оборудвани с необходимите системи и автоматика, осигуряващи подаване и изваждане на утайките, затоплянето и размесването им, както и отделянето на газа и водата и др. От своя страна, едностепенните изгниватели също се разделят на два вида - изгниватели с отделяне и без отделяне на утайковата вода.
При изгнивателите без отделяне на утайковата вода, подаването на пресните утайки, разбъркването и изваждането на изгнилите е непрекъснат процес. Съответно, подаването на утайките се осъществява в долната част на изгнивателя, непосредствено под смукателната тръба на механичните бъркалки. Извеждането на изгнилите се осъществява от средната част на изгнивателя посредством вертикална тръба, свързана с преливна шахта, която се намира в покриваната му част. За разбъркване на утайките обикновено се използват помпи за подаване на пресни утайки, а за подгряването им - топлообменници или пароструйни ежектори. Отделилите са газове се събират в газовия капак и се отвеждат към газовия резервоар.
Характерно за едностепенните изгниватели с отделяне на утайковата вода е, че разбъркването не е непрекъснат процес, а протича на интервали през няколко часа. По този начин се създават статични условия за отделяне на утайковата вода и уплътняване на утайките в коничното дъно, като непосредствено след това водата се отделя, изгнилите утайки се изваждат, а в изгнивателя се подават пресни утайки. Подаването на пресни утайки би могло да бъде с различна продължителност. Прави се след всяко прекъсване, като едновременно с подаването се стартира и процесът на разбъркване. Времетраенето на отделните цикли и обемът на метантанка са сред основните критерии за определяне на мощността на инсталацията за разбъркване. Преди да бъдат подадени към изгнивателя, пресните утайки могат да се смесят с изгнили утайки в съотношение 1:1. След изваждане на утайковата вода по тръбни и преливни системи е наложително тя да се върне пред първичните утаители за допълнително пречистване.
Кинетиката на процеса на изгниване на утайките показва, че в началото той протича интензивно, след което постепенно затихва. В едностепенните метантанкове процесите на разграждане и отделяне на водата протичат едновременно в общия обем на съоръжението, като и двата процеса са свързани и взаимно си влияят. Също така, ако отделилата се утайкова вода не се извади, тя заема част от обема на ректора, което води до намаляване на времето за активно изгниване. Експлоатацията на едностепенните изгниватели е свързана и с редица други експлоатационни проблеми като трудното съчетаване на различните технологични процеси - подаване и извеждане на утайките, размесване и т.н.
Процеси в двустепенни изгниватели
Поради трудностите, с които е свързана експлоатацията на едностепенните изгниватели, са разработени двустепенни схеми, при които двата основни процеса са технологично разделени и протичат в две отделни съоръжения. В метантанк I степен се извършва изгнивателният процес, а в метантанк II степен протича разслояването на изгнилата утайка - уплътняване и отделяне на водата.
Изгнивателят първа степен е снабден с необходимите за нормалното му функциониране технически системи, включително и със система за автоматизация, с цел създаване на необходимите условия за ускорено протичане на стабилизационния процес. Утайките в метантанка I степен се затоплят, осигурява се непрекъснатото им разбъркване, както и постоянното им подаване и изваждане и др.
В изгнивателя втора степен се отделя утайковата вода. Също така в него доизгнива органичната маса при затихване на изгнивателния процес, а и се уплътняват утайките. Тъй като в тях се постига известна статичност на процесите, гниенето протича по-бавно и разбъркването на утайките, предизвикано от отделящите се мехурчета, е много по-слабо. Отделяната утайкова вода е по-слабо замърсена от утайковата вода при едностепенните изгниватели. Като конструкция изгнивателят втора степен е открит, земнонасипен или стоманобетонен резервоар, който обикновено е неотопляем. Характерно за него е вертикалното разслоение на въведената маса. В долната част на резервоара се намира вече уплътнената утайка, над нея има слой утайкова вода, а върху повърхността е образувалата се кора. Допуска се изгнивателят втора степен да се използва и като буферен резервоар.
При оразмеряване на системата, обемът на изгнивателя първа степен следва да се определи така, че да се гарантира постигане на около 90% разграждане на органичните вещества. Съответно, в изгнивателите втора степен следва да се разложат останалите 10% органични вещества. Обикновено се спазва правилото съотношението изгнивателните обеми първа и втора степен да е 2:1. В случаите, при които за втора степен се използват открити земни изгниватели, съотношението може да се промени в полза на втората степен. Те осигуряват спазване на изискванията за отделяне на утайковата вода и евентуалното акумулиране на вече изгнили утайки.
Покривни конструкции на метантанковете
Сред основните конструктивни елементи на метантанковете е покривната им конструкция. В зависимост от вида й се различават метантанкове с неподвижни (непотопени), с потопени, както и с подвижни (плаващи) конструкции. Използването на метантанк с неподвижно покритие налага комбинирането му с отделен газов резервоар, в който да се акумулира отделеният газ. В случай на понижаване на нивото на утайките, при изпускане на утайкова вода или изгнили утайки, газовият резервоар следва да е в състояние да подаде обратно газа в изгнивателя.
Характерно за метантанковете с подвижни покривни покрития е, че се поставят по начин, осигуряващ потапяне на долната им част в утайките на височина от около 0,8 m, при което се образува воден затвор. Самата покривна конструкция променя положението си в зависимост от нивото на утайките в изгнивателя.
Тъй като отделените в метантанковете и газхолдерите газове, смесени с въздух в отношение от 1:5 до 1:15, образуват силно избухлива смес, е необходимо стриктно спазване на правилата за безопасност. Наличието на биогаз се открива трудно поради факта, че той няма миризма, а отделящият се сероводород е силно отровен, дори при концентрация от 0,1 % е смъртоносен.
Метантанковете с плаващи покривни конструкции дават възможност за използване на газхолдери с до два пъти по-малки обеми. Недостатък на подвижните конструкции е по-сложното им изпълнение и поддържане.
Проектиране на метантанкове
При проектиране на метантанкове е необходимо да се предвидят мерки, даващи възможност за проследяване на процесите, протичащи в изгнивателя и осигуряване на безопасната му експлоатация. Необходимо е да се предвидят херметично затварящи се входни и наблюдателни люкове, устройства за аварийно изпускане на газовете в атмосферата и др. Предвижда се също специална система за изпразване на изгнивателя, чийто тръбопроводи обикновено са разположени в дънната му конична част. При големи обеми на изгнивателя, от порядъка на над 5000 m3, се препоръчва да се заложат допълнителни изпускатели, разположени по височина през 5 - 6 m. На всички тръбопроводи се монтират спирателни кранове, а също така се предвиждат и тръбопроводи за вземане на проби, разходомери за измерване на утайките и газа и др.
Характеристики на биогаза
Биогазът е горим газ, образуващ се в резултат на хидролитични и ферментационни процеси на високомолекулна органична материя в условията на анаеробна среда. За производството му се използват различни технологии, като една от най-разпространените е анаеробното разлагане в метантанкове.
Като химичен състав биогазът е много близък до природния газ. Разликата се състои основно в относителния дял на метана в него. В природния газ съдържанието на метан СН4 е около 95 - 97%, докато в биогаза относителният дял на метана е от порядъка на 50 - 75%, което обуславя и неговата по-ниска калоричност. Друг основен компонент на биогаза е въглеродният диоксид СО2, който варира в границите около 25 - 50%. В него се съдържат също и малки количества азот N2 (0 - 7%), кислород О2 (0 - 2%), водород Н2 (0 - 1%) и сероводород Н2S (0 - 1%), като съдържанието на азот и сяра се определя от вида на изходната суровина.
При очистване на биогаза от съдържащият се в него въглероден диоксид СО2 се получава биометан, който е пълен аналог на природния газ.
В чисто екологичен аспект, производството на биогаз осигурява възможност да се предотврати изхвърлянето на метан в атмосферата, който е един от основните газове, предизвикващи парников ефект. Най-често, биогазът се използва в качеството си на гориво за производство на електро- и топлоенергия, пара или като автомобилно гориво.
Вижте още от Екология
Новият брой 9/2024
