6.3.8.4 Сырье биометаногенеза
В процессах метаногенеза можно переработать самое разнообраз- ное сырье – различную растительную биомассу, включая отходы дре- весины и несъедобные части сельскохозяйственных растений, отходы перерабатывающей промышленности, специально выращенные куль- туры (водяной гиацинт, гигантские бурые водоросли), жидкие отходы сельскохозяйственных форм, промышленные и бытовые стоки, ил очи- стных сооружений, а также мусор городских свалок. Важно, что сырье
с высоким содержанием целлюлозы, трудно поддающееся переработке,
также эффективно сбраживается и трансформируется в биогаз.
6.3.8.5 Технологические режимы и аппаратурное оформление процесса метанового брожения
Установки для биометаногенеза с учетом их объемов и произво-
дительности можно подразделить на несколько категорий:
94
− реакторы для небольших ферм сельской местности от 1 м3до
20 м3;
− реакторы для ферм развитых стран от 50 м3 до 500 м3;
− реакторы для переработки промышленных отходов от 500 м3
до 1000 м3;
− для переработки твердого мусора городских свалок от 1 м3
до100 м3.
Реакторы называются метантенки (рис. 31).
Рисунок 31 - Устройство метантенка
Метантенк представляет собой герметическую емкость, ча- стично погружённую в землю для теплоизоляции и снабженную для дозированной подачи и подогрева сырья, а также газгольдером – емко- стью переменного объема для сбора газа.
Метантенки могут изготавливаться из металла или железобетона. Имеют различную форму: кубическую, цилиндрическую и даже яйце- видную. Метантенки классической, европейской, англо-американской
и яйцевидной формы представлены на рисунке 32. Несмотря на внеш-
нее различие внутреннее устройство метантенков схоже.
Очень важным в конструкции метантенков является обеспечение требуемого уровня перемешивания всего гетерогенного содержимого аппарата. Вместе с тем известно, что максимальное выделение метана наблюдается в системах со слабым перемешиванием. Поэтому в от- личие от аэробных процессов, требующих интенсивной аэрации и пе-
95
ремешивания, перемешивание при метаногенезе, главным образом, должно обеспечивать гомогенизацию бродящей массы, препятствовать оседанию твердых частиц и образованию твердой плавающей корки.
При переработке жидких отходов животноводческих ферм соот- ношение между твердыми компонентами и водой в загружаемой массе должно составлять примерно 1:1, что соответствует концентрации твердых веществ от 8% до 11% по весу. Смесь материала обычно засе- вают аценогенными и метанобразующими микроорганизмами из от- стоя сброженной массы от предыдущего цикла или из другого метан- тенка.
В ходе сбраживания органической массы на первой, так называе- мой «кислотной», фазе в результате образования органических кислот рН среды снижается. При резком сдвиге рН среды в кислую сторону возможно ингибирование метаногенов. Поэтому процесс ведут при рН 7,0-8,5. Против закисления используют известь. Снижение рН сре- ды является своеобразным сигналом, свидетельствующим о том, что процесс деструкции органики с образованием кислот закончен, то есть
в аппарат можно подавать новую партию сырья для переработки. Оп- тимальное соотношение C:N в перерабатываемой органической массе находится в диапазоне (11-16):1. При изменении соотношения C:N в исходном материале в сторону увеличения содержания.
Рисунок 32 - Разновидности конструкций метантенков
Очень важным в конструкции метанотенков является обеспечение требуемого уровня перемешивания всего гетерогенного содержимого аппарата. Вместе с тем известно, что максимальное выделение метана наблюдается в системах со слабым перемешиванием. Поэтому в от- личие от аэробных процессов, требующих интенсивной аэрации и пе- ремешивания, перемешивание при метаногенезе, главным образом,
96
должно обеспечивать гомогенизацию бродящей массы, препятствовать оседанию твердых частиц и образованию твердой плавающей корки.
Процессы, протекающие при метановом брожении, эндотермиче- ские и требуют подвода энергии в виде тепла извне. Для подогрева за- гружаемого сырья и стабилизации температуры процесса на требуемом
уровне обычно сжигают часть образуемого биогаза. В зависимости от
температуры процесса количество биогаза, идущего на обогрев процес- са, может достигать 30% от объема получаемого. Температура и, сле- довательно, скорость протекания процесса зависят от вида используе- мого метанового сообщества. Для термофильных организмов процесс реализуется при 50-60 оС, для мезофильных – при 30-40 оС и около
20 оС – для психрофильных организмов. При повышенных температу-
рах скорость процесса в 2-3 раза выше по сравнению с мезофильными условиями. Для нормальной работы метантенков осадок в них должен поступать равномерно и при сбраживании подогреваться до заданной температуры. Количество осадка, подаваемого ежесуточно в метантен- ки должно составлять при мезофильном режиме от 7% до 10% от объ- ема метантенка, при термофильном режиме от14% до19%. Продолжи- тельность сбраживания в мезофильных условиях от 10 до14 суток, в термофильных условиях от 5 до7 суток. Величина максимально воз- можного сбраживания для разных по химическому составу осадков в среднем составляет:
- для осадка первичных отстойников до 53%,
- для активного ила - до 44%.
Термофильное сбраживание требует большего расхода тепла, а образующийся осадок плохо отдает воду и требует более тщательной подготовки к обезвоживанию, чем осадок, полученный в мезофильных условиях. С другой стороны, при термофильном сбраживании проис- ходит обеззараживание осадка.
Скорость подачи субстрата в метантенк должна быть равной ско- рости роста бактерий метанового сообщества, при этом концентрация субстрата (по органически веществам) должна быть стабилизирована на уровне не ниже 2%. Нормы загрузки сырья в существующих про- цессах метаногенеза колеблются в пределах от 7% до 20% объема суб- страта от объема биореактора в сутки. При этом цикличность процесса составляет 5-14 суток. Обычно время сбраживания животноводческих отходов составляет около 2 недель. Растительные отходы перерабаты- ваются дольше (20 суток и более). Наиболее трудны для переработки твердые отходы, поэтому время их переработки больше.
97
Цикличность процесса может быть сокращена до 5-15 ч при уве- личении скорости загрузки соответственно до 150%-400% от общего объема/сутки.
Сбраживание в метантенках - процесс довольно сложный в кон- структивном исполнении и в обслуживании, требует больших капи- тальных и эксплуатационных затрат, образующийся газ взрывоопасен. Объем метантенков может достигать 25% объема всех очистных соору- жений. Однако до сих пор сохранился большой удельный вес метан- тенков среди сооружений по обработке осадка на очистных станциях, построенных 25-30 лет назад, когда этот метод был наиболее изучен- ным и широко применяемым.
Процессы анаэробного сбраживания до сих пор детально изу-
чаются с целью сокращения продолжительности сбраживания, по- вышения выхода биогаза и увеличения в нем содержания метана, улучшения водоотдающих свойств сброженного осадка.
Основными путями интенсификации технологии анаэробного сбраживания являются:
1) оптимизация исходной влажности осадка и нагрузки на метан-
тенки;
2) конструктивное разделение двух свойственных процессу фаз -
кислого брожения и метанового брожения - на две и более ступени;
3) повышение температуры сбраживания и улучшение условий перемешивания содержимого метантенков.
При фазовом разделении анаэробного сбраживания на две ступе-
ни и более общая продолжительность процесса может быть сокращена до 3 - 4 суток. В целом, анаэробное сбраживание целесообразно приме- нять для крупных очистных станций.