Метантенки принцип работы кратко

Обновлено: 05.07.2024

Метантенк является одним из важных элементов очистных сооружений. В отличие от аэротенков в них поступает, как правило, не сама сточная жидкость, а концентрированный осадок, выпадающий в отстойниках. Для малых количеств сточной жидкости (как правило, до 25 м ₃ в сутки) обычно применяют септики, для средних количеств (до 10 000 м 3 в сутки) — двухъярусные отстойники.

Биологические методы очистки основаны на окислении органических остатков с использованием микроорганизмов.

Распад органических веществ в метантенке

Распад органических веществ состоит из трех этапов:

растворение и гидролиз органических соединений;
ацидогенез;
метаногенез.

На первом этапе сложные органические вещества превращаются в масляную, пропионовую и молочную кислоты. На втором этапе эти органические кислоты превращаются в усксусную кислоту, водород, углекислый газ. На третьем этапе метанообразующие бактерии восстанавливают диокись углерода в метан с поглощением водорода. По видовому составу биоценоз метатенков значительно беднее аэробных биоценозов.

Насчитывают около 50 видов микроорганизмов, способных осуществлять первую стадию - стадию кислотообразования. Самые многочисленные среди них - представители бацилл и псевдомонад. Метанообразующие бактерии имеют разнообразную форму: кокки, сарцины и палочки. Этапы анаэробного брожения идут одновременно, а процессы кислотообразования и метанообразования протекают параллельно. Уксуснокислые и метанообразующие микроорганизмы образуют симбиоз, считавшийся ранее одним микроорганизмом под названием Methanobacillus omelianskii.

Процесс метанообразования - источник энергии для этих бактерий, так как метановое брожение представляет собой один из видов анаэробного дыхания, в ходе которого электроны с органических веществ переносятся на углекислый газ, который восстанавливается до метана. В результате жизнедеятельности биоценоза метатенка происходит снижение концентрации органических веществ и образование биогаза, являющегося экологически чистым топливом. Для получения биогаза могут использоваться отходы сельского хозяйства, стоки перерабатывающих предприятий, содержащих сахар, бытовые отходы, сточные воды городов, спиртовых заводов и т.д.

Конструкция метантенка

Конструктивно метантенк представляет собой цилиндрический или реже прямоугольный резервуар, который может быть полностью или частично заглублён в землю. Днище метантенка имеет значительный уклон к центру. Кровля метантенка может быть жёсткая или плавающая. В метантенках с плавающей кровлей снижается опасность повышения давления во внутреннем объёме.

Стенки и днище метантенка выполняются, как правило, из железобетона.

Принцип действия метантенка

Сверху в метантенк по трубе поступает осадок и активный ил. Для ускорения процесса брожения метантенк подогревают, а содержимое перемешивают. Подогрев осуществляется водяным или паровым радиатором. В условиях отсутствия кислорода из органических веществ (жиров, белков и т. д.) образуются жирные кислоты, из которых при дальнейшем брожении образуется метан и углекислый газ.

Сброженный ил высокой влажности удаляется из нижней части метантенка и направляется на сушку (например, иловые площадки). Образовавшийся газ отводится через трубы в кровле метантенка. Из одного кубического метра осадка в метантенке получается 12—16 кубометров газа, в котором около 70 % составляет метан.

Основными технологическими параметрами при расчётах метантенков являются температура во внутреннем пространстве, продолжительность сбраживания, производительность по сухому органическому веществу, концентрация перерабатываемого осадка и режим загрузки. Наибольшее применение нашли мезофильный (при температуре 32—35 °C) и термофильный режим (при температуре 52—55 °C). Мезофильный режим является менее энергоёмким, термофильный позволяет применять метантенки меньшего объёма.

Для жителей частных домов (и не только) полезно знать, что такое метантенк, каково его назначение и принцип функционирования конструкций для очистки сточных вод. Не менее важно разобраться, где используются аппараты и как они применяются. Отдельная тема — схема и расчет обращения с тем, что поступает в метантенки.

Устройство конструкции и принцип работы

Типичная схема метантенка напоминает в плане цилиндр. Несколько реже эти конструкции имеют прямоугольную форму. Допускается их заглубление в почву, даже иногда полностью. Донная часть в значительной мере уклонена к середине. Кровельная часть аппарата представляет собой или жесткую, или плавающую конструкцию. Второй вариант менее надежен механически. Однако он более безопасен в плане роста внутреннего давления. Для изготовления стенок и днища сооружения преимущественно используют железобетон. Сверху подводится труба. По ней поступает внутрь активный ил; через ту же трубу производится и загрузка осадка.

Чтобы усилить образование метана и все остальные процессы, емкость прогревают, заботятся также о перемешивании содержимого в постоянном режиме. Для подачи тепла используют водяные либо паровые радиаторы. Что важно, весь процесс проходит в анаэробном режиме. Это позволяет разложить органические вещества на жирные кислоты. Но брожение на таком этапе не останавливается, и следующие продукты – это углекислый газ и метан (давший даже название всему виду оборудования).

После окончания бродильной обработки производится выгрузка ила; он содержит много воды, и поэтому может использоваться лишь в высушенном виде.

Отвод метана происходит через верхние трубы. Общий выход газов на 1 м3 обработанного осадка составляет 12-16 м3. На долю собственно метана приходится при этом от 8,4 до 11,2 м3. Стоит иметь в виду, что сейчас используются и другие аналогичные методы очистки стоков — обезвоживание механическим способом и химическое кондиционирование. Однако они экономически и энергетически не так выгодны. Еще одна важная тонкость — то, что метантенк служит главным образом для утилизации не самих жидких стоков, а насыщенных осадков. Если количество обращаемой жидкости не превышает 25 м3 за 24 часа, то первичное отстаивание проводят в септиках. Если нужно больше, вплоть до 10000 куб. м, применяют уже усовершенствованные двухъярусные отстойники.

По сравнению с другими установками, предназначенными для решения той же задачи, метантенки имеют следующие важные преимущества:

Где применяются?

Метантенки используются для очистки сточных вод на комплексных очистных сооружениях. Но точно так же успешно их можно применять и в автономном режиме. Второй вариант пригоден только непосредственно для очистки органических жидких отходов. Допустим, из 1000 кг навоза от КРС можно получить до 65 куб. м биогаза, а из 1000 кг зеленой массы вырабатывают до 500 куб. м биогаза. Больше всего его вырабатывают в биогазовой установке, перерабатывающей чистый жир.

Важно: разница между этими случаями касается не только общего количества биогаза.

Концентрация метана тоже может довольно сильно отличаться. Метантенки находят применение и как часть цепочек очистки воды в городе. Внутрь преимущественно подают комбинацию сырого осадка и избытка активного ила, который берут во вторичных отстойниках аэротенков. Активный ил создается при смешивании взвеси, не отфильтрованной на первичном контуре, с коллоидными веществами и микрофлорой, развивающейся на этом коллоиде.

Обзор режимов работы

Сбраживание внутри метантенка может происходить по различным сценариям. Принято различать два основных типа, в зависимости от температуры внутри емкости. Термофильный процесс, характерный для российской практики, проходит при 50-55 градусах. Он существенно быстрее принятого за рубежом мезофильного сбраживания, которое идет при 30-35 градусах. Ничего удивительного в этом нет: подъем температуры попросту активизирует все биохимические изменения.

Увеличение температуры жидкости способствует еще и уменьшению относительного объема резервуаров вдвое (при идентичной производительности).

Но есть еще одно важное преимущество — термофильная стратегия позволяет надежно уничтожить всех паразитических червей и их эмбрионы, в то время как мезофильная — не более 80%, да и то при большой удаче, а обычно около ½. И все же есть доводы в пользу того, чтобы прогревать резервуар слабее.

Нет, речь не о сиюминутной экономии энергии, как можно было бы подумать. Мезофильный подход позволяет полностью обойтись подачей того же тепла, которое вырабатывается сразу на месте при сжигании продуктов брожения. Чтобы осадок согрелся до 50 градусов и выше, особенно в зимний ветреный день, потребуется дополнительное топливо, и эксплуатационные расходы сразу вырастут. Кроме того, сброженная в термофильных условиях масса труднее поддается обезвоживанию. В процессе распада сухая масса сокращается, а доля влаги возрастает; одновременно увеличивается и зольность.

Особенности расчета

Ключевой расчетный параметр — степень распада беззольного вещества. Ее оценивают либо напрямую, по убыли массы, либо по объему вырабатываемого биогаза. При втором варианте вычисляют процент по отношению к изначально загруженной беззольной массе. Эти показатели могут быть идентичны или сильно различны. Расчет по газу при значительной загрузке системы обычно показывает большее значение, чем расчет по беззольной массе; противоположное соотношение типично для слабозагруженных аппаратов с большой продолжительностью сбраживания. В них значительная часть газа успевает раствориться в воде. Исследования и анализ практически работающих систем позволили установить, что точный состав газа и его суммарный выход при разложении каждой составляющей осадка отличается.

Установлено, что больше всего биогаза появляется при распаде жира, а меньше всего его выход при распаде белка. Также эксперты выяснили, что у любых веществ есть предел распада, превысить который невозможно. Определять состав осадка можно, обращая внимание на изначальный состав стоков, поскольку в зависимости от источников он может меняться довольно сильно. Очень актуальный параметр — так называемая доза загрузки. Она равняется процентной доле занимаемого осадком объема (ко всему объему). Связь интенсивности распада с загрузкой рассчитывают по прямолинейной и степенной зависимостям.

Ряд коэффициентов устанавливают экспериментально. Необходимо учитывать рекомендации изготовителей оборудования.

Метантенк (от англ. methane — метан и англ. tank — резервуар) — устройство для анаэробного брожения жидких органических отходов с получением метана.

Содержание

Назначение

Метантенк является одним из важных элементов очистных сооружений. В отличие от аэротенков в них поступает, как правило, не сама сточная жидкость, а концентрированный осадок, выпадающий в отстойниках. Для малых количеств сточной жидкости (как правило, до 25 м³ в сутки) обычно применяют септики, для средних количеств (до 10 000 м³ в сутки) — двухъярусные отстойники. [1]

Биологические методы очистки основаны на окислении органических остатков с использованием микроорганизмов. Неперегнивший осадок не может быть утилизован. В метантенках органические остатки переводятся в незагнивающую форму без доступа кислорода. Первые эксперименты по метановому брожению канализационных отходов начались в конце XIX века. В середине 1920-х годов началась промышленная эксплуатация метантенков в Германии, Великобритании, США и СССР [2] .

Конструкция

Стенки и днище метантенка выполняются, как правило, из железобетона.

Принцип действия

В конце XX века вместо метантенков начали применять механическое обезвоживание и химическое кондиционирование нестабилизированных биологических осадков, однако эти методы энергетически менее выгодны.

Метантенки – это сооружения для анаэробной стабилизации осадков сточных вод, применяются на городских, промышленных и локальных очистных сооружениях. Чаще всего в метантенках сбраживается осадок первичных отстойников или активный ил, или их смесь. Положительным эффектом строительства таких сооружений является получение метаносодержащего газа, который можно использовать для отопления помещений очистных сооружений или в качестве топлива для газобаллонных машин. На крупных станциях очистки сточной воды устраивают газгольдеры – сооружения для регулирования давления газовой сети и для накопления метансодержащего газа.

Метановое сбраживание – это процесс распада органических соединений до простых веществ, в результате которого выделяется газ. Жиры и белки в основном разлагаются с высоким выделением метана, а углеводы — с выделением углекислого газа. Смесь этих газов – это биогаз. Процесс разложения происходит в результате жизнедеятельности анаэробных микроорганизмов.

Сбраживание принято делить на следующие стадии:

Ферментативный гидролиз.
Кислотообразования.
Ацетогенная.
Метаногенная.

Возможно три режима работы метантенков:

психрофильный – при температуре до 200°С
мезофильный – при температуре 33°C;
термофильный – при температуре t = 53°C.

Выбор температуры определяется условиями работы метантенка: технико-экономическими, санитарно-гигиеническими, природоохранными с учетом обеспечения полного цикла сбраживания. Следует также обратить внимание на химический состав осадка и его объем.

Условия работы метантенка

Для того чтобы процесс сбраживания в метантенке происходил без проблем, в нем необходимо поддерживать постоянными следующие условия:

рН = 7,0 — 7,5;
содержание жирных летучих кислот 3 — 8 мг экв/ л;
содержание щелочей 70 — 76 мг экв /л;
содержание аммонийных солей азота 600 — 800 мг/л.

Для этого подачу и выгрузку осадка в сооружение в течение суток рекомендуется выполнять равномерно (прямоточная схема экспуатации), а также для поддержания необходимой температуры возможен обогрев острым паром. Тем не менее, в общем плане, метантенки могут работать в режимах:

в периодическом;
непрерывном;
полунепрерывном.

Эффект сбраживания в метантенках

Есть и другие факторы, влияющие на эффект сбраживания:

тяжелые металлы (кобальт, медь, никель), а также хром и сернистые соединения оказывают ингибирующие действие на процесс анаэробного сбраживания.
перемешивание загрузки метантенка производится для того чтобы: предотвратить образование мертвых зон, расслоение осадка, образование корки, отложение песка, а также с целью эффективного использования всего объема метантенка, выравнивания температуры и концентраций метаболитов (промежуточных субстратов).

Перемешивание осуществляется механическими мешалками или при помощи циркуляции осадка и рециркуляции газа (более эффективный способ, однако на практике примяенится редко).

Однако интенсивность перемешивания имеет предел: если она будет слишком высока то, некоторые группы бактерий могут потерять связь, родство с определенной частью субстрата. В свою очередь неинтенсивное перемешивание ведет к уменьшению образования биогаза.

Существуют две технологические схемы сбраживания (работы биореакторов):

Одноступенчатая (низконагружаемые метантенки);
Двухступенчатая (иногда называется многоступенчатой) – в этом случае в качестве первой ступени устанавливается метантенк, работающий в мезофильном режиме, а в качестве второй – открытый (на нем осуществляется обезвоживание и уплотнение осадка). Преимуществами такой схемы является: отсутствие расслоения осадка и отделения иловой воды.

Выделяют следующие возможные конструкции метантенков:

с куполообразным перекрытием (жестким);
с плавающим перекрытием;
открытые.

Независимо от конструкции схема метантенка будет включать в себя:

Читайте также: