Метантенк: принцип работы конструкций для очистки сточных вод. Где используются аппараты и как применяются? Схема и расчет. Что поступает в метантенки?

Расскажем о методах биологической очистки сточных вод, разберем способы и устройства. Это метатенки и пруды, фильтрационные или дренажные поля, биофильтры и аэротенки. В чем их преимущества и недостатки покажем в сравнительной таблице.

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:

  • сравнительно доступная стоимость самого оборудования и его эксплуатации;
  • простота манипуляций;
  • надежность (практически невозможно что-то «сломать»);
  • отсутствие расходных материалов или самая минимальная потребность в них;
  • экологичность (очищенную воду можно с чистой совестью сливать прямо на грунт);
  • теоретическая пригодность стока из метантенка для питья (уровень очистки — 99%).

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 м? в сутки) обычно применяют септики, для средних количеств (до 10 000 м? в сутки) — двухъярусные отстойники.

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.

Способы и устройства

Биологическая очистка стоков делится на 2 основные разновидности:

  1. Естественная. Не используется в качестве основной очистки, а служит скорее дополнительным процессом. В основе естественного преобразования стоков лежит принцип природного удаления или переработки вредных микроорганизмов растительной средой или почвой.
  2. Искусственная. Данная разновидность очистки делится на 2 подвида:
    • Аэробная. В аэробных системах применяют бактерии, жизнедеятельность которых возможна только в кислородной среде.
    • Анаэробная. Способ очистки противоположный аэробному – в резервуары помещаются бактерии, для работы которых не требуется избыток кислорода.

Если естественная биологическая очистка используется крайне редко, то аэробный и анаэробный методы получили широкое распространение.

При аэробной очистке используются бактерии вместе с небольшим количеством твёрдых неорганических веществ.

Данная смесь получила название «активный ил». Имеет не слишком плотную структуру и тёмно-коричневый цвет.

Последствиями аэробной очистки являются твёрдые вещества, а после анаэробного воздействия остаётся метан.

Важно! Метан, как и очищенные сточные воды, можно использовать в промышленных или сельскохозяйственных целях.

Рассмотрим более подробно каждый из методов биологической очистки сточных вод.

Биофильтры

В современных биофильтрах используется исключительно аэробная среда. В промышленных масштабах биофильтры представляют собой круглые бассейны больших диаметров. Помимо «активного ила» используется дренажный фильтр – слой шлака или гальки, толщиной от 2 до 5 см.

Последовательность очистки сточных вод в биофильтре:

  1. Стоки подаются в бассейн под напором и проходят первичную степень очистки – слой дренажа. Крупные частицы загрязняющих веществ остаются в шлаке или гальке, более мелкие – отстаиваются в открытом резервуаре.
  2. После прохождения первой степени очистки, в сточные воды добавляют бактерии – аэробы. Биофильтры имеют открытую конструкцию, поэтому начинается реакция поглощения аэробами загрязняющих веществ.
  3. После окончания реакции, на поверхности стоков остаётся тонкая плёнка, которую смывают под напором воды. Остаётся только очищенная техническая жидкость.

Биопруды

Фото 562-2Биопруды отличаются от биофильтров уникальностью бактериальной среды – в них может использоваться как анаэробная, так и аэробная среда.

После очистки остается природный ил, который можно использовать в качестве удобрения или кормовой базы.

Чаще всего используют пруды-смесители – конструкции, в которых могут одновременно протекать как анаэробные, так и аэробные процессы. При этом процессы не пересекаются и протекают параллельно.

Метатенки

Данные конструкции созданы исключительно для полной переработки осадка, который возникает после процесса жизнедеятельности анаэробных или аэробных бактерий.

В основе конструкции метантенков преобладают 2 формы:

  • цилиндрическая.
  • прямоугольная.

Принцип действия:

  1. По трубопроводу в метантенк поступает осадок.фото 562-3
  2. Запускается специальная система подогрева, ускоряющая процесс разложения элементов. Основным элементом системы служит радиатор, через который проходит пар или жидкость.
  3. Жиры и белки, находящиеся в осадке, раскладываются на метан и углекислый газ, которые по другому трубопроводу поступают наружу.
  4. Вещества, которые не поддаются полной переработке, высушивают и используют в качестве удобрений.

Фильтрационные или дренажные поля

В основе принципа действия данного сооружения – очистка стоков путём пропускания их через дренажный слой. Основное требование для установки дренажного поля – достаточный уровень грунтовых вод, не менее 1.5 м.

Интересно! Фильтрационные поля могут быть различной формы: от классического параллельного расположения траншей, до уникальной «змейки» или «ёлочки».

Все трубы очистной системы располагаются в одном большом котловане дренажного поля – это основное отличие данной конструкции от фильтрующих траншей.

Каждое дренажное поле имеет несколько очистных отсеков:

  • В первом происходит грубое разделение стоков и твёрдых загрязняющих веществ.
  • Во втором отсеке на частично очищенную жидкость воздействуют анаэробные бактерии.
  • В последнем отсеке переработанный бактериями ил оседает на дно и со временем удаляется.

фото 562-4

Аэротенки

Аэротенки по своей конструкции и принципу действия очень похожи на биопруды. В них также происходит смешивание бактериальной среды со стоками, но не природным путём, а под действием аэраторных систем, которые нагнетают большое количество кислорода в резервуары.

Аэротенки – это системы с высоким КПД. Для их непрерывной деятельности необходима постоянная работа аэраторной системы.

Среднее количество кислорода в системе не должно находится ниже отметки 0,5 мг/дм³, а показатель 0,2 мг/дм³ уже считается критическим.

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

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 жёсткой или плавающей. В метантенках с плавающей кровлей снижается опасность повышения давления во внутреннем объёме.

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

Метантенк на недостроенных очистных сооружениях в Калининграде

Метантенк на недостроенных очистных сооружениях в Калининграде

Таблица преимуществ и недостатков

Метод очистки Преимущества Недостатки
Биофильтры Простой монтаж Низкое качество очистки сточных вод
Биопруды В прудах-смесителях можно одновременно использовать 2 разновидности бактерий Высокая стоимость монтажа
Метантенки Простота конструкции, функционирование без каких-либо автоматизированных систем Возможен аварийный выброс давления при монтаже жёсткой кровли
Дренажные поля Не требуется установка систем, нагнетающих кислород в траншеи Невозможна прокладка при недостаточном уровне грунтовых вод
Аэротенки Высокий КПД очистки сточных вод Высокая стоимость аэраторных систем, а также траты на их ремонт и обслуживание

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.

Важно: термин «в основном» тут не случаен. И в России может использоваться мезофильная методика, и за рубежом — термофильная; разница только в уровне распространенности.

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.

Ссылки

  1. Ленский В. А. Водоснабжение и канализация, изд. 4. — М.: Высшая школа, 1969. — 432 с.
  2. 1 2 Гюнтер Л. Л., Гольдфарб Л. Л. Метантенки. — М.: Стройиздат, 1991. — 128 с.
  3. Яковлев С. В., Карелин Я. А., Жуков А. И., Колобанов С. К. Канализация. Учебник для вузов. Изд. 5-е. — М.: Стройиздат, 1975. — 632 с.
Рейтинг
( 1 оценка, среднее 5 из 5 )
Загрузка ...