Метантенк – это железобетонный резервуар значительной ёмкости для биологической переработки (сбраживания) с помощью бактерий и др. микроорганизмов в анаэробных условиях (без доступа воздуха) органической части осадка сточных вод.
Метантенки служат для обеспечения свойств стабильности (незагниваемости) осадка при длительном его хранении либо обезвоживании в естественных условиях. Одновременно решается задача подготовки осадка к внесению в почву, так как после сбраживания усвоение элементов осадка растениями улучшается. Распад органических веществ протекает в 2 фазы. В первой фазе из углеводов, жиров и белков образуются жирные кислоты, водород, аминокислоты и пр. Во второй — происходит разрушение кислот с образованием преимущественно метана и углекислого газа.
Биологический процесс трансформации органических веществ при сбраживании осуществляется комплексом микроорганизмов, ведущая роль в котором принадлежит группе метанообразующих бактерий. Культивирование микроорганизмов этой группы представляет основную задачу службы эксплуатации. Устойчивый ход процесса обеспечивается выполнением ряда режимных параметров, важнейшими из которых являются нагрузка, сохранение и воспроизводство биомассы, условия перемешивания и поддержания температуры бродящей массы.
Различают мезофильное (при температуре 30—35 °С) и термофильное (при температуре 50—55 °С) сбраживание. При термофильном сбраживании процесс распада проходит быстрее, но сброженный осадок хуже отдаёт воду. Смесь газов, выделяющихся при сбраживании, состоит преимущественно из метана (до 70%) и углекислого газа (до 30%), и именуется общим понятием «биогаз».
Биогаз является высококачественным и полноценным носителем энергии и может многосторонне использоваться как топливо в домашнем хозяйстве и в предпринимательстве для приготовления пищи, производства электроэнергии, отопления помещений, кипячения, сушки и охлаждения.
Биогаз используют в качестве топлива для производства электроэнергии, тепла или пара, а также в качестве автомобильного топлива. Среди промышленно развитых стран ведущее место в производстве и использовании биогаза по относительным показателям принадлежит Дании. Биогаз составляет до 18 процентов общего энергобаланса этой страны. По абсолютным показателям по количеству средних и крупных установок ведущее место занимает Германия, здесь их 8 миллионов. Вообще не менее половины птицеферм Западной Европы отапливается биогазом.
А в Индии, Вьетнаме, Непале и других развивающихся странах строят малые, односемейные биогазовые установки. Получаемый в них газ используется для приготовления пищи. Больше всего малых биогазовых установок в Китае. Еще в конце 1990 годов их там насчитывалось более 10 миллионов. Ежегодно все это оборудование производит около 7 миллиардов кубометров биогаза, что обеспечивает топливом примерно 60 миллионов крестьян. В конце 2006 года в Китае действовало уже около 18 миллионов биогазовых установок. И сегодня их применение позволяет заменить 10,9 миллиона тонн условного топлива. В Индии с 1981 по 2006 год было установлено 3,8 миллиона малых биогазовых установок. В Непале существует программа поддержки развития биогазовой энергетики, благодаря которой в сельской местности этой страны к концу 2006 года было создано более 100 тысяч малых биогазовых установок.
Рис.1 Блок-схема типовой биогазовой установки
Перемешивание осадка осуществляется с целью выравнивания его состава (как средство борьбы с расслоением массы, образованием корки, равномерным распределением свежего осадка, ликвидации градиента температуры в процессе подогрева). Местные переуплотнения осадков до влажности порядка 90 % приводят к ухудшению выхода газа из микрообъемов, торможению брожения продуктами метаболизма микроорганизмов и т. п. явлениями. Длительность и интенсивность перемешивания выбирают по условиям загрузки и выгрузки осадка, предпочитая проводить загрузку и выгрузку в условиях вытеснительного режима (во избежание проскока несброженного осадка), а подогрев бродящей массы — при интенсивном перемешивании. Формирование графика загрузки, выгрузки, подогрева и перемешивания осадка целесообразно проводить в увязке с узлом обезвоживания осадков, с работой первичных отстойников и илоуплотнителей. Обычно применяют трех- или четырехкратную выгрузку осадка из первичных отстойников, что и определяет цикличность операций на метантенках.
Для увеличение объёма образовываемого биогаза процессы сбраживания в метантенке необходимо интенсифицировать.
Эффективность перемешивания биомассы в биореакторе — один из основных параметров, влияющих на работу биогазовой установки.
Перемешивание содержимого метантенка необходимо проводить с целью обеспечения эффективного использования всего объёма метантенка, исключения образования мертвых зон, предотвращения расслоения осадка, отложения песка и образования корки, выравнивания температурного поля. Также перемешивание способствует выравниванию концентраций метаболитов, образующихся в процессе брожения и являющихся промежуточными субстратами для микроорганизмов или ингибиторами их жизнедеятельности, а также концентрации токсичных веществ, содержащихся в загружаемом осадке, поддержанию тесного контакта между бактериальными ферментами и их субстратами и т.д. Таким образом, перемешивание предназначено для поддерживания однородности среды.
Перемешивание ила в метантенке может осуществляться несколькими способами (рис. 2):
- гидроэлеваторами, в которых рабочей жидкостью служит осадок, подаваемый насосом из нижней зоны метантенка;
- пропеллерными мешалками (в вертикальном направлении), которые размещаются в центральной трубе в середине метантенка;
- насосами без гидроэлеваторов;
- рециркуляцией газов брожения при помощи компрессоров;
- при помощи устройств для подогревания осадка (паровыми инжекторами). Одновременно происходит подогрев содержимого метантенка острым паром.
Для перемешивания биомассы в метантенке часто используются механические мешалки. Подобные мешалки достаточно эффективны в небольших реакторах при переработке тяжелых субстратов. Однако если используются субстраты с малой вязкостью, да к тому же содержащие мало веществ, склонные к осаждению или образованию плавающей корки, то механические перемешивающие устройства применяют и в относительно крупных реакторах.
Конечно, механические мешалки наиболее практичны для простых небольших биогазовых установок, используемых в индивидуальных хозяйствах. В качестве такой мешалки может служить, например, обычный вал с лопатками, приводящийся в движение «от руки».
Недостатком такого способа является его малая интенсивность, однако, она вполне оправдана отсутствием энергозатрат.
Рассмотрим гидравлические способы перемешивания. Общим приемом для установок подобного типа является забор жидкости с поверхности массы и нагнетание ее в более глубокие слои. Содержимое крупных реакторов, особенно цилиндрической формы, перемешивают с помощью потоков (струй) жидкости, поступающей в реактор. Различие гидравлических способов состоит в способе нагнетания. Простейший способ —непосредственное перекачивание насосом (Рис. 3а).
|
||||||||
|
|
|
||||||
Рис.3. Конструкции метантенков с различными системами гидравлического перемешивания.
А –Метантенк с простым механическим перемешиванием, Б - Метантенк с выносными циркуляционными трубами, В- метантенк с газовым перемешиванием и нижним размещением форсунок, Г - метантенк с газовым перемешиванием и верхним размещением форсунок.
Более сложные конструкции оборудованы выносными циркуляционными трубами, в которых установлены мешалки (Рис. 3б)
Распространены также газовые способы, когда часть выработанного газа откачивается из реактора, сжимается компрессором и нагнетается в аппарат для организации барботажа.
Газ может нагнетаться через дно, боковую стенку или купол. Каждый из этих способов имеет определенные недостатки. При размещении форсунок в дне резервуара или в нижней части боковой стенки (Рис. 3в), невозможным представляется их ремонт и замена без остановки и осушения реактора. При верхнем размещении оборудования (Рис. 3г) утяжеляется купол и усложняется его демонтаж.
Однако, газовые способы являются наиболее эффективными, потребление энергии при этом меньше, чем у гидравлических устройств.
Итак, способы перемешивания без приложения энергии применимы для малых биореакторов, в то время как остальные могут служить и для средних. Возможность, и, в особенности, необходимость установки перемешивающего устройства определяется, в первую очередь, целевым продуктом, требованиям к продуктивности и бесперебойности подачи газа.
Литература:
1. Л.И. Гюнтер, Л.Л. Гольдфарб. Метантенки.– М.: Стройиздат, 1991. - 128 с.: ил.; 22см. - (Охрана окружающей природной среды). – ISBN 5274003230: 1.90 р.
2. Баранова И.Г., Мелай Е.С. О перемешивании биомассы, как методе повышения продуктивности метантенка НТУУ «КПИ»
3. В.Д.Дмитриев, Д.А. Коровий, А.И. Кораблев, Г.П.Медведев и др. «Эксплуатация систем водоснабжения, канализации и газоснабжения» Справочник – Стройиздат, Ленинградское отделение, 1976
4. http://ws-54.ru/page/site-map/
5. www.ntpo.com
