для чего нужен метантенк
Опыт использования метантенков, генерации энергии и повышения энергоэффективности МГУП «Мосводоканал»
Стенограмма доклада канд. биол. наук М.В. Кевбриной, начальника КО ИТЦ МГУП «Мосводоканал» на научно-практическом семинаре «Мониторинг и сокращение углеродного следа российских водоканалов» 13 ноября 2012 г., экологический центр РХТУ им. Д.И. Менделеева. Печатается с сокращениями.
Развитие любых технологий позволяющих использовать вторичные ресурсы приводит к уменьшению использования энергоресурсов и соответственно выбросов парниковых газов.
На московских очистных сооружениях для обработки осадка сточных вод используется технология анаэробного сбраживания с образованием биогаза и дальнейшей генерации энергии. Данная технология позволяет сократить расходование энергоресурсов и таким образом снизить выброс парниковых газов.
Если мы с вами посмотрим на технологическую цепочку очистки сочных вод (рис. 1), то мы увидим, что в основном это энергозатратное мероприятие и только в узле обработки осадка с применением обработки метанового сбраживания мы с вами можем получить хоть какую-то энергию.
На Московских очистных сооружениях для обработки осадков сточных вод применяется высокоинтенсивное термофильное сбраживание с временем пребывания 6-8 сут. и при температуре 53-55 °С. На Курьяновских очистных сооружениях (КОС) ежесуточно образуется 16 тыс. м 3 осадка, который направляется на сбраживание в 24 метантенка, сгруппированных по 4 штуки в 6 групп. Ежесуточно образуется 128 тыс. м 3 биогаза.
На Люберецких очистных сооружениях (ЛОС) ежесуточно образуется 17 тыс. м 3 осадка, который направляется на сбраживание в 20 метантенков, сгруппированных по 4 штуки в 5 групп. Ежесуточно образуется 145 тыс. м 3 биогаза.
В 2009 г. на Курьяновских очистных сооружениях была запущена в эксплуатацию мини-ТЭС, которая работает на биогазе, образующимся в метантенках КОС. Эта мини-ТЭС обладает электрической мощностью 10 МВт и тепловой мощностью 6,9 Гкал, она обеспечивает на 50% энергопотребление станции и работает параллельно с сетью ОАО «МОЭСК».
За период эксплуатации мини-ТЭС уже было несколько случаев отключения внешнего источника энергоснабжения, при этом мини-ТЭС выручала и позволила работать основному оборудованию очистных сооружений без остановки.
Мне хотелось бы остановиться на методах и приемах, которые могли бы повысить эффективность работы метантенков и соответственно повысить выход биогаза, для того, чтобы еще дальше получать электроэнергию и снизить использование природного газа.
Основными методами интенсификации работы метантенков является:
Повышение эффективности перемешивания осадка
При проектировании метантенков Люберецкой и Курьяновской станций аэрации в их конструкцию были заложены вертикальные мешалки типа импеллер в трубе. Однако, конструкционные особенности мешалок не обеспечивали достаточно эффективного перемешивания и приводили к быстрому выходу из строя установленных мешалок. Поэтому была проведена работа по поиску других перемешивающих устройств, проведены промышленные испытания подобранного образца и были заменены импеллерные мешалки на лопастные. Такая модернизация метантенков привела к увеличению выхода биогаза на 10% и дала экономический эффект в 1,2 млн руб. в год.
Повышение концентрации загружаемого осадка и биомассы микроорганизмов за счет ее рециркуляции
В Мосводоканале разработана технология метанового сбраживания с рециклом активной биомассы (рис. 2). Здесь вы видите схему, по которой часть осадка, выходимого после сбраживания, сгущается на центрифугах и направляется обратно на метантенк.
Такая технология без высоких капитальных затрат и без существенной реорганизации производственного процесса позволяет интенсифицировать процесс метанового сбраживания:
Когда уменьшается количество осадка, то естественно это стразу приводит к другим экономическим эффектам, связанным с депонированием (вывозом) осадка, это тоже экономически выгодные эффекты.
Сгущение осадка сточных вод перед подачей в метантенки для увеличения времени пребывания и глубины сбраживания
Сгущение осадка сточных вод перед подачей в метантенки позволяет увеличить время пребывания осадка в метантенке и глубину сбраживания.
Сбраживание более концентрированного осадка в метантенках московских очистных сооружений приведет к увеличению глубины распада беззольного вещества с 44 до 48-52% за счет увеличения времени пребывания осадка и увеличит выход биогаза на 10%.
Уменьшение объема загрузки в метантенки позволит получить экономию тепла на предварительный нагрев загружаемого осадка.
Уменьшение массы сухого вещества сброженного осадка позволит значительно сократить расходы на флоккулянт при механическом обезвоживании и на вывоз осадка. Оба эти процесса составляют основные затратные статьи в обработке осадка.
Подготовка осадка к сбраживанию (предобработка)
Применение различных методов предобработки осадков позволяет:
Методы предобработки осадков сточных вод можно подразделить на несколько типов:
Поэтому среди всех методов предобработки для практиков в разных странах наибольший интерес представляет термообработка, когда происходит предобработка осадка сточных вод при температуре 130-180 °С при высоком давлении. За счет этого происходит увеличение выхода биогаза на 33-68%, однако эта технология подразумевает высокие капитальные затраты на строительство узла термогидролиза.
Термощелочная обработка дает высокую степень разрушения активного ила, однако она еще более затратна, потому что нужно опять таки построить сооружения, работающие при высокой температуре плюс реагенты.
Таблица. Зависимость увеличения ХПК жидкой фазы осадка, увеличения выхода биогаза и распада БВ от разных методов обработки активного ила Курьяновских очистных сооружений,
полученные в лабораторных экспериментах
Вид обработки активного ила
Солюбилизация ХПК
при обработке, %
Прирост ХПК при обработке, кратность
Увеличение выхода биогаза на грамм загружен-ного БВ при сбраживании, относ. %
Увеличение глубины распада БВ
при сбраживании, относ. %
МЕТАНТЕНКИ –утилизация отходов с пользой
Согласно директиве Европейского Союза все страны-члены ЕС обязаны увеличить переработку своих отходов до 50 % от общего объема к декабрю 2010 г. В нашей стране пока такого закона не существует, однако мусор имеется и у нас, и утилизировать его получается далеко не всегда, а без ущерба для экологии вообще крайне редко. В связи с этим современное человечество начало уделять пристальное внимание оборудованию по переработке отходов, к которому принадлежат и метантенки. Этим установкам удается извлекать из мусора пользу для окружающей среды.
Рис. 1. Принципиальная схема образования биогаза с использованием метантенка
Рис. 2. Сферический метантенк
Табл. 1. Суточная доза загрузки
Табл. 2. Стадии разложения биомассы
Основная задача метантенков — переработка отходов. Но, в отличие от тех же мусоросжигательных заводов, метантенки дают на выходе полезный продукт — биогаз, который можно впоследствии использовать для промышленных и коммунальных нужд. Как следствие, предотвращается выброс метана в атмосферу, который, являясь парниковым газом, способствует глобальному потеплению. Динамика роста цен на энергоносители и конечность запасов месторождений природного газа также все чаще подталкивают людей к мысли об удобстве получения газообразного топлива из альтернативных источников.
Понятие «метантенк»
В современной литературе все чаще можно встретить также название «метатенк» (т.е. без «н» в середине слова), и даже этимологическое толкование подобного написания: дескать, первая часть происходит от греческого слова «мета», означающего «между, после, через». Такое написание, как очевидно из абсурдности последнего объяснения, является ошибочным.
Широкое распространение оно получило, по-видимому, вследствие более легкого голосового воспроизведения по сравнению с корректным вариантом (сказать «метатенк» намного проще, чем «метантенк»), а также из-за небрежного прочтения нескольких одинаковых букв в разных частях слова (в слове «метантенк» встречаются по две буквы «е», «н» и «т», идущих друг за другом в разном порядке).
Что такое «биогаз»
Биогаз — газ, получаемый метановым брожением биомассы. Биомассой называют любые органические отходы (часть бытового мусора, отходы пищевой промышленности, канализационные стоки) и энергоносители растительного происхождения (дерево, трава, водоросли). Биогаз состоит на 40–87 % из метана, и на 13–50 % из углекислого газа, а также незначительных примесей водорода и сероводорода. После очистки биогаза от СО2 получается биометан. Биометан — полный аналог природного газа, отличие только в происхождении. Выход биогаза зависит от содержания сухого вещества и вида используемого сырья.
Анаэробное сбраживание
Метантенк может быть использован как самостоятельный объект или как звено в цепочке водоочистных сооружений. В качестве самостоятельного объекта метантенки используются для переработки органических отходов. Например, из одной тонны навоза крупного рогатого скота получается 50–65 м3 биогаза с содержанием метана 60 %, из 1000 кг различных растений — 150– 500 м3 биогаза с содержанием метана до 70 %. Максимальное количество биогаза — 1300 м3 с содержанием метана до 87 % — можно получить из тонны жира.
В биогазовых расчетах используется понятие сухого вещества (СВ или английское TS) или сухого остатка (СО). Вода, содержащаяся в биомассе, газа не дает. На практике из 1 кг сухого вещества получают от 300 до 500 л биогаза. Кроме отходов, биогаз можно производить из специально выращенных энергетических культур, например, из силосной кукурузы, и водорослей. Выход газа может достигать 500 м3 из 1 т.
В масштабах города метантенк может быть использован как звено в цепочке водоочистных сооружений. В метантенк подается обычно смесь сырого (свежего) осадка из первичных отстойников и избыточный активный ил из вторичных отстойников после аэротенков. Активный ил создается из взвешенных частиц в сточной жидкости, не задержанных первичным отстойником, и адсорбируемых коллоидных веществ с размножающимися на них микроорганизмами.
Для поддержания требуемого режима сбраживания надлежит предусматривать загрузку осадка в метантенки, как правило, равномерную в течение суток. Одним из наиболее важных параметров, определяющих скорость процесса и производительность анаэробных реакторов, является температура. Выделяют три основных диапазона температур и, соответственно, три группы бактерий, которые обеспечивают биологическое разложение:
Анаэробное разложение происходит, как правило, в мезофильном и термофильном режимах. Чем выше температура, тем быстрее происходят процессы брожения, поэтому термофильный режим в этом случае более производителен. Однако, для того, чтобы использовать термофильный режим, необходимо поддерживать более высокую температуру, что повышает энергозатраты.
Поэтому чаще всего используется все-таки мезофильный режим. Определение вместимости метантенков производится в зависимости от фактической влажности осадка по суточной дозе загрузки, принимаемой для осадков городских сточных вод по табл. 1, а для осадков производственных сточных вод — на основании экспериментальных данных. Разложение подготовленной биомассы происходит под действием специальных анаэробных бактерий (в зависимости от используемой технологии) в три стадии (см. табл. 2).
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 основными технологическими параметрами процесса: доза загрузки метантенка и температура, концентрация загружаемого осадка.
Кроме того, существенную роль играют такие факторы как режим загрузки и выгрузки осадка, система его перемешивания и др. После сбраживания выделяющая смесь газов поступает на очистку и постобработку, после чего готова к подаче потребителю.
Конструкция
Принципиальная схема образования биогаза с использованием метантенков представлена на рис. 1. Общий алгоритм таков: сначала биомасса подготавливается (необходим специальный уровень кислотности, влажность и т.д.). Для этого используются особые емкости гомогенизации, оснащенные мешалками. Затем биомасса помещается в закрытую емкость (реактор), где происходит анаэробное (т.е. безкислородное) разложение биомассы при строго определенной температуре (около 35 °C).
Если метантенк ориентирован на работу с осадками сточных вод и активным илом, большое значение имеет способ подачи осадка в метантенк, а также выгрузка непригодного «сырья» из метантенка. Дело в том, что в осадках сточных вод довольно существенную долю составляют механические частицы (песок), которые откладываются в метантенке, уменьшая полезный объем.
С точки зрения режима подачи осадков наиболее рациональной является эксплуатация метантенков по прямоточ-ной схеме (см. рис. 1), при которой загрузка и выгрузка осадков происходит одновременно и непрерывно (или с минимальными перерывами). Такой режим создает благоприятные температурные условия в метантенке, т.к. исключается охлаждение бродящей массы вследствие залповых поступлений более холодных сырого осадка и избыточного ила.
Кроме того, такой режим обеспечивает равномерность газовыделения в течение суток. 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 и, как уже говорилось, позволяет замедлить процесс накопления песка, который вместе с осадком из первичных отстойников попадает в метантенк.
Вследствие того, что газ поступает из сооружения неравномерно, целесообразно на тупиковых концах сети устраивать аккумулирующие газгольдеры (англ. gasholder, от gas — газ и holder — держатель), которые выравнивают давление газа в сети. Для приема газа из метантенков используют так называемые мокрые газгольдеры, каждый из которых состоит из резервуара, заполненного водой, и одного (колокол) или двух (колокол и телескоп) подвижных звень-ев для хранения газа, перемещающихся на роликах по направляющим.
При заполнении газом пространства под колоколом последний всплывает, перемещаясь вертикально вверх по направляющим, входит в зацепление с телескопом, поднимает его и продолжает перемещаться под давлением поступающего газа. Колокол и телескоп опираются на направляющие с помощью верхних и нижних роликов. Когда вес колокола с телескопом уравновешивается противодавлением газа, подъем колокола прекращается.
Благодаря этому при изменении объема газа под колоколом давление в газгольдере и газовой сети остается постоянным. Для увеличения давления газа колокол догружают специальными грузами.
Подогрев
Энергию для подогрева исходного сырья получают от сжигания газа, полученного в этом же метантенке. В случае с достаточно сухим и подготовленным сырьем, таким как биомасса, достаточно водяного подогрева. В отличие от схемы с использованием биомассы, осадки сточных вод чаще всего подогревают не водой, а острым паром. Острый (перегретый) пар — это пар, имеющий температуру выше температуры насыщения при том же давлении.
Пар низкого давления с температурой 110–112 °C подается во всасывающую трубу насоса при подаче и перемешивании осадка или непосредственно в метантенк через паровой инжектор. Инжекторы устанавливаются в каждом метантенке. Забирая в качестве рабочей жидкости осадок из метантенка и подавая смесь его с паром снова в метантенк, паровой инжектор обеспечивает и подогрев осадка и частичное перемешивание бродящей массы. В метантенках тепло расходуется:
Тепловой поток D [Вт], необходимый для подогрева сырого осадка, определяется по формуле: D = Qc(t – to), где Q — расход осадка, кг/ч; с — удельная теплоемкость осадка, принимаемая равной 4,2 кДж/(кг⋅K); t — расчетная температура в метантенке, K; to — температура сырого осадка, поступающего в метантенк, K. 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 каком-либо другом специальном теплообменнике. Для обеспечения равномерного подогрева всего осадка и перемешивания вновь поступившей 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.
Теплоизоляция
Теплоизоляция купола метантенков выполняется из различных теплоизолирующих материалов. Например, на Курьяновской станции аэрации газои теплоизоляция железобетонного перекрытия метантенков выполнена из 4– 5 слоев перхлорвиниловой массы, уложенной по всей его поверхности и покрытой цементной стяжкой. Далее идет слой шлака толщиной 500 мм, прикрытый цементной стяжкой, а затем — трехслойная рулонная кровля.
В качестве утеплителей могут быть использованы пенополиуретан, минеральная вата, стекловолокно. Для сокращения затрат на теплоизоляцию стенок метантенка применяют обваловку ре-зервуара грунтом, либо используют дополнительные ограждающие конструкции, создающие воздушную прослойку между несущей и утепляющей стенками метантенка.
Теплопотери через стенки метантенков определяются по СНиП, а через стенки, заглубленные в грунт, по формуле: Q1 = KуF(tв – tн), где Q1 — теплопотери, Вт; Kу — условный коэффициент теплопередачи, кВт/ (м2⋅K); F — площадь соответствующей зоны стенки, м2; tв — температура внутренней стенки, K; tн — температура наружной стенки, K. Величина Kу зависит от заглубления рассчитываемой зоны стенки и при глубине от поверхности земли до 2 м принимается равной 0,464; от 2 до 4 м — 0,232 и от 6 м и выше — 0,0696 кВт/ (м2⋅K).
Форма резервуара
Размер и габариты метантенков могут различаться в зависимости от конкретно поставленной задачи. В настоящее время разработаны типовые проекты метантенков полезным объемом от 2 м3 и диаметром до 20 м. Для крупных очистных станций разработаны индивидуальные проекты метантенков с полезным объемом 6000–8000 м3. Так, объем каждого резервуара метантенков на очистной станции Могден (Англия) равен 3800 м3, в Буффало (США) — 5660 м3, в Детройте (США) — 8500 м3.
Кроме крупномасштабных метантенков, решающих проблемы целого города, все большее распространение стали получать так называемые бытовые метантенки. С их помощью можно не только перерабатывать отходы, но и обеспечивать владельцев биогазом для нужд отопления, приготовления пищи, нагрева воды и освещения.
Одновременно с этим в процессе биологической, термофильной, метангенерирующей обработки органических отходов образуются экологически чистые, жидкие, высокоэффективные органические удобрения, содержащие минерализованный азот в виде солей аммония (наиболее легко усваиваемая форма азота), минерализованные фосфор, калий и другие, необходимые для растения биогенные макрои микроэлементы, биологически активные вещества, витамины, аминокислоты, гуминоподобные соединения, структурирующие почву.
Одна тонна таких биоудобрений по своему эффекту на растение эквивалентна 80–100 т исходного навоза или других органических веществ. Форма рабочей части метантенка, как правило, бывает цилиндрической с конусовидным верхом и низом (наиболее распространенная), и сферической. С точки зрения теплопотерь стенок сферическая форма является более выгодной. Однако, при больших объемах метантенков, это конструктивно сложно осуществить.
Поэтому цилиндрическую форму используют в основном при строительстве крупных установок. Таковы, например, метантенки на Курьяновской станции аэрации с перекрытием в форме полусферы. В верхней части перекрытия метантенка расположена горловина. 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 газгольдеры. 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. В конструкции метантенков Курьяновской станции аэрации также предусмотрены трубопроводы, расположенные на разных отметках по высоте ме-тантенка. 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. Поэтому в настоящее время эти трубопроводы используются в основном для отбора проб с разных уровней и замера температуры по разрезу метантенка. Сферическая форма может быть использована для бытовых приусадебных метантенков.
На рис. 2 показана схема такого метантенка. Метантенк представляет собой герметичный резервуар 1 шарообразной формы, внутри которого к верхней его части прикреплена не доходящая до днища резервуара 1 коаксиальная концентрическая перегородка 2, разделяющая резервуар 1 на внешнюю 3 и внутреннюю 4 камеры сбраживания. Перегородка 2 выполнена в виде усеченного конуса с обращенным вниз основанием.
Сверху над резервуаром 1 находится газосборная горловина 5, во внешнюю камеру 3 встроен патрубок подачи разжиженных органических отходов 6 с разнонаправленными отводами 7, а во внутреннюю камеру 4 — патрубок отвода сброженного осадка 8. Над внешней камерой 3 установлен патрубок отвода биогаза 9, а над внутренней камерой 4 и ее газосборной горловиной 5 — биогазоотводящий патрубок 10.
Прикрепленными снизу к резервуару стойками 11 метантенк установлен на фундамент 12. Свежие разжиженные и измельченные органические отходы влажностью 93±4 % по патрубку 6 под напором вводят во внешнюю камеру 3, где разнонаправленными из тройника 7 струями перемешивают с содержимым камеры 3.
Всплывающие при этом трудносбраживаемые легкие включения, содержащие целлюлозу, лигнин (одеревеневшие стенки растительных клеток), жиры, белки и другие вещества, перемешиваются со сбраживаемой в камере 3 массой и обсеменяются содержащимся в ней симбиозом расщепляющих (гидролизующих) микроорганизмов, обеспечивающих в первой фазе анаэробного сбраживания разрушение сложных соединений на более простые с образованием из них во второй фазе сбраживания при pH (1) (36262) (0)
Метантенк
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]
Конструкция
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
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. За рубежом чаще применяется мезофильный режим. [3]
В конце XX века вместо метантенков начали применять механическое обезвоживание и химическое кондиционирование нестабилизированных биологических осадков, однако эти методы энергетически менее выгодны.