Метан-танкове за производство на биогаз

В градските пречиствателни станции след механичното и биологично пречистване на отпадъчните води, освен течната фракция се получават и големи количества „пресни” и актвни утайки. Оползотворяването им чрез анаеробна ферментация в метантанкове води до получаване на биогаз с високо съдържание на метан.

В статията ще разкажем за процесите на анаеробното стабилизиране на утайките, за мезофилния и термофилен анаеробен режим, за формата и покривните конструкции на метантанковете, за системите за подаване, за първоначалната утайка и разтоварване на ферментиралата, за подгряването на утайките, за смесването на ферментираща маса, за събирането и извеждането на биогаза, за контролираните технологични параметри, за системата за автоматично управление.

Текст: списание Енергия

Основното предназначение на метантан танковете в градските пречиствателни станции е стабилизирането (анаеробна метанова ферментация) на образувалите се излишни утайки от пречиставането, които са биомаса богата на високомолекулна органична материя с БПК (биохимична потребност на кислород) по-голямо от 10 000mg/l, макро и микроелементи със състав на азотно-фосфорен тор, в биогаз. Анаеробното изгниване в метантанковете се извършва в продължение на 15 дни от метанови бактерии (methanosarcina, methanococcus, methanobacerium, methanobacillus) при липса на кислород и смесване на пресни с изгнили утайки за “подквасване” в съотношение 1:1, както и интензивно разбъркване и подгряване, с което се ускорява процеса. При ефективна работа, 90% от разградимите органични вещества се превръщат в метан, като по такъв начин се минимизира обема на излишната утайка, която трябва да се депонира.

Получените крайни продукти са метан, въглероден диоксид, азот, кислород, водород, сероводород. Отработените утайки след метанизиране са вече стабилизирани и имат малко по-високо съдържание на сухо вещество. След механично обезводняване те намаляват обема си, и могат или да се депонират за 15 дни на площадка за кек, или да се компостират с биоразградими отпадъци с цел подобряване на свойствата и обезмирисяването. При съхраняването на утайките завършва минерализацията на органичното вещество. Така се реализира напълно затворен възобновяем („зелен”) енергиен цикъл без отделяне отпадъци. В резултат на това се предотвратява отделянето емисии от метан в атмосферата, който, като парников газ, допринася за глобалното затопляне. Динамиката на нарастващите цени на енергията и ограничените запаси от находища на природен газ, все повече подтиква държавите да произвеждат биогаз от утайкова биомаса. Тя се явява енергиен ресурс в градските пречиствателни станции.

Процеси на анаеробното стабилизиране на утайки

Биологичното анаеробно стабилизиране на утайките протича в следните четири етапа. Първият етап е извършването на ферментационна хидролиза, при която се разрушават сложните химични връзки на неразтворените сложни органични вещества (въглехидрати, мазнини и аминокиселини, т.е органични вещества до 80%), като се превръщат в прости въглеводороди (аминокиселини, полизахариди, мастни киселини) разтворими във вода. При този процес най-голямо приложение намират факултативните анаеробни микроорганизми. Той протича достатъчно интензивно при голямо съдържание на вода. Сухият остатък трябва да е до 14% за оптимално протичане на хидролизата.

Ако процентът е по-голям интензивността на хидролизата намалява. Вторият етап е киселинообразуването-хетерогенните микроорганизми отделят късоверижните летливи мастни киселини, аминокиселините, алкохолите, а също водорода и въглеродния диоксид, т.е. образуват се химични съединения с ниско молекулно тегло. Третият етап е ацетатообразуването-ацетатните микроорганизми превръщат летливите мастни киселини, аминокисилините и алкохолите в оцетна киселина, която се дисоцира на ацетатен анион и водороден катион. Четвъртият етап, е двуетапно метанообразуване-метановите бактерии преработват преобладаващата оцетна киселина, в метан, като въглеродният диоксид се редуцира от водорода, също до метан.

Мезофилен и термофилен анаеробен режим

За поддържане на необходимия технологичен режим на гниене, е необходимо да се предвиди зареждане на утайката в метантанковете, равномерно през целия ден. Един от най-важните параметри, които определят скоростта на процеса гниене и производителността на метантанковете, е температурата. Има два основни температурни диапазона и съответно две групи бактерии, които осигуряват биологично разлагане. В зависимост от температурата, при която протича анаеробния процес на гниене, метантанковете могат да работят в два режима-мезофилен и термофилен. При мезофилния режим анаеробния процес на гниене протича при температура 33-35°C и продължителност от 10 до 20 денонощия. Допустимото отклонение на температурния режим, е +/-1°C в час.

Мезофилното гниене се характеризира със стабилност на режима и поддържане на по-ниска температура в сравнение с термофилното, а оттук и по-малки енергийни разходи. Сред основните му предимства са и по-лесното обезводняване на изгнилите утайки, безпроблемната експлоатация, отсъствието на неприятна миризма и вредно влияние върху обкръжаващата среда. При термофилния режим на гниене, анаеробния процес протича при температура 53-55°C и продължителност от 5 до 10 денонощия. Допустимото отклонение на температурния режим, е +/0,5°C в час. Термофилното гниене, осигурява приблизително два пъти по-бързо протичане на анаеробния процес на стабилизиране на утайките, в сравнение с мезофилния режим.

Съответно и количеството на отделяния газ, за едно и също време на протичане, е по-голямо. Постига се пълна дехелминтизация на утайките, както и по-висок бактерициден ефект - унищожаване на около 50 до 80% от яйцата на хелминтите. Недостатъците на термофилния режим са свързани с поддържането на по-висока температура, което е свързано с допълнително подаване на външна топлинна енергия (по-високи енергийни разходи), сравнително по-трудно обезводняване на изгнилите утайки, както и по-усложнената експлоатация. Затова, въпреки безспорните си предимства термофилният производствен режим за стабилизиране на утайките в метантанковете, е слабо използван - 1%. В повечето Западно-европейски държави, а също и у нас, се предпочита прилагането на мезофилния производствен режим на метантанковете - 99%.

Форма на метантанковете

Метантанковете са цилиндрични или по-рядко правоъгълни стоманобетонни резервоари с конични дъна и куполни покривни конструкции, предназначени за свръхналягане на газа до 5kPa. Конструктивно те са цилиндрични, като могат да бъдат изцяло или частично заровени в земята. Известни са също и проекти на метантанкове с форма круша и яйце. От гледна точка на топлинните загуби през стените, сферичната форма е по-изгодна за тяхното намаляване. За пълното им изпразване, дъното често се прави скосено, полусферично или под формата на конус. Конструктивно куполния покрив на метантанковете може да бъде неподвижен (непотопен) или подвижен (плаващ).

Покривни конструкции

Метантанковете с куполен неподвижен покрив са цилиндрични резервоари изработени от стоманобетон. В горната част на метантанка е разположен цилиндричен отвор (гърло) към отделен херметичен резервоар за събиране на отделилия се газ. Повърхността на ферментиращата маса е винаги е над основата на “гърлото”. В резултат на това свободната вътрешна площ на метантанковете е значително намалена. С намаляване на тази площ се увеличава интензивността на отделяне на газ на единица площ, което допринася за разрушаването на кората на утайките. В този случай площта на “гърлото” на резервоара се определя въз основа на натоварването от обема на изходящия газ, например 700-1200-m³/m² на ден. За събиране на този газ, куполният херметичен резервоар на метантанка е с височина 3,8m. Налягането на газа в него е 3-3,5kPa.

Съотношението на диаметъра на метантанка към височината (от дъното до основата на гърлото за събиране на газ) трябва да бъде не повече от 0,8:1. Недостатък на метантанковете с неподвижен покрив е променливостта на налягането вътре в реактора. Когато утайката се разтоварва, вътре в метантанка може да се образува вакуум, а при зареждане налягането може да се увеличи. Това води до разрушаване на конструкциите, образуване на пукнатини. Когато се образува вакуум, въздухът се засмуква и е възможно образуването на експлозивна горима смес. Затова на изходната линия за газ се монтират газхолдери. При продължителна работа на метантанковете, в тях може да се образува слой от плътна кора под покрива поради натрупване на газ и изсъхване на утайката.

В метантанковете с голям обем, дебелината на такъв слой може да достигне няколко метра и значително да намали полезния им обем. Заради това в някои конструкции са предвидени разрохвачи на кора. В стоманобетонните метантанкове с куполен подвижен покрив няма опасност от образуване на вакуум. Покривът се издига при зареждане на утайката и се спуска при разтоварването й. В покрива е създаден воден затвор от металният му цилиндричен ръб, който е потопен на 0,50,6m в сместа на утайките. Така се осигурява херметичност на конструкцията с едновременното събиране и отвеждане на газа от повърхността.

По този начин независимо от пълненето на метантанка, в него се поддържа положително налягане на газа, което изключва възможното навлизане на въздух в конструкцията и предизвикване на експлозия, т.е. осигурена е взривобезопасност. Друго предимство е, че според положението на плаващия покрив е възможно да се извърши дозировката на товарене и разтоварване на утайките. Улеснява се също действието срещу образуването на корички. Основните елементи осигурявaщи ефективната работа на метантанковете са системата за подаване на първоначалната утайка и разтоварване на ферментиралата, системата за подгряване, системата за разбъркване, системата за събиране и извеждане на биогаз.

Система за подаване на първоначалната утайка и разтоварване на ферментиралата

В зависимост от конструкцията на метантанка, утайката може да се подава за ферментиране или през обща за всички съоръжения зареждаща камера, или чрез директно изпомпване във всеки метантанк. Ферментиралата утайка се изтегля от него през тръбопровод. Утайката се подава в горната зона, а се извежда от най-ниската точка на дъното. Максималното разстояние един от друг на захранващия и изпускателния тръбопровод предотвратява навлизането на не изгнила утайка в изходящата маса. Така се забавя и натрупването на пясък, който заедно с утайката от първичните утаители, влиза в метантанка.

По отношение на режима на подаване на утайката, най-рационална е експлоатацията по право-поточната схема. При нея зареждането и разтоварването на утайката се извършва едновременно и непрекъснато (или с минимално количество прекъсвания). Този режим създава благоприятни температурни условия в метантанка. Охлаждането на ферментиращата маса е изключено, вследствие на залпове от по-студена сурова и излишна утайки. Така се осигурява равномерност на отделянето на газ през деня. Получената преработена утайка, е санитарно безопасна, като след изсушаване и раздробяване се предлага за по-нататъшна употреба като тор.

Система за подгряване на утайки

Подгряването на утайките е най-често с прегрята пара ниско налягане. Нейната температура е над температурата на насищане при същото налягане. Парата под ниско налягане с температура 100–110°C се подава в смукателната тръба на помпата по време на смесването на утайката или директно през парен инжектор. Парният инжектор осигурява както нагряване на утайката, така и частично смесване на ферментиращата маса. За да се намали общата консумация на пара, може да се приложи предварително подгряване на утайката с гореща вода в тръбни или спираловидни топлообменици. Температурата в близост до топлообменниците не трябва да надвишава 60°C и да няма залепване на утайка върху топлообменните повърхности, което води до намаляване на ефективността на топлообмена.

При температура над 70°C процеса на образуване на газ спира поради загиването на метанообразуващите бактерии. Топлината освен за подгряване на утайките, се използва и за компенсиране на топлинните загуби, напускащи през стените, дъното и тавана на метантанка. Също и за компенсиране на топлинните загуби, отнесени с отработените газове. За да се намалят топлинните загуби и консумацията на биогаз за отопление, метантанковете се топлоизолират. Облицоват се с насип отпочва или се използват допълнителни ограждащи конструкции, които създават въздушна междина между носещите и топлоизолираните стени. За топлоизолация се използват също фибростъкло, стъклена вата, клетъчна пластмаса.

Система за смесване на ферментираща маса

Разбъркването осигурява хомогенност на ферментиращата маса в целия обем на метантанка. При зареждане на студена утайка в горната му част, тя като по-тежка, започва да пада. В същото време мехурчетата на отделения газ се издигат нагоре, което осигурява смесване във вертикална посока. При оборудване с парен инжектор, се осигурява хоризонтално смесване от подаването на пара. Трябва обаче да се отбележи, че това не осигурява необходимото смесване-изравняването на температурата на утайката става много бавно.

Налага се допълнително смесване с хидроелеватор. За интензифициране на процеса и намаляване на електроенергийните разходи, се използват пропелерни бъркалки. В метантанковете, оборудвани с бъркалки, с увеличаване на интензивността на смесване от 3 до 5 r/min, добивът на биогаз се увеличава с 12-15%. Без смесване отделянето на биогаз на ден се намалява с около 3 пъти. Препоръчително е утайката да се разбърква в продължение на 2-5 часа на ден.

Система за събиране и извеждане на биогаз

Събирането на отделилия се биогаз от изгниването на утайките, се събира в разпределителните херметични резервоари в “гърлото” на метантанка. За транспортиране на газа е изградена специална мрежа от стоманени тръби с подобрена антикорозионна обработка. Процесът на отделяне на газ е неравномерен във времето, следователно, за да се поддържа постоянно налягане в газовата мрежа, в краищата й са разположени резервоари за съхранение, наречени газхолдери.

Те представляват резервоар, пълен с вода, и камбана, движеща се във вертикална посока върху ролки. Всички камбани се балансират от налягането на газа, в резултат на което налягането на газа в мрежата остава постоянно. Ако е невъзможно да се събере газ, е необходимо той да се изгори с помощта на специално устройство-газов факел. От един кубичен метър на утайки в метантанка се получава 12-16m³ биогаз, който се състоиглавно от метан-50-75% и на въглероден диоксид-25-50%, водород-0-1%, азот-0-7%, кислород-0-2%, сероводород 0-1%. Калоричността на биогаза е 5,8-6,4 kWh/m³.

Контролирани технологични параметри

По време на експлоатацията на метантанковте се контролират температурата на утайката, нивото на натоварване, дебитите на входящите утайки, парата и газа, налягането на парата и газа, състава на течната фаза (иловата вода) и състава на биогаза. В течната фаза се определят рН, съдържанието на летливи мастни киселини, алкалността, азот на амониеви соли. При устойчив процес на метанообразоване pH е 7,6–8,0, съдържание на мастни киселини е ниско-около 5mg-eq/l за мезофилен процес и 8-12mg-eq/l за термофилен процес, висока алкалност-65-90mg-eq/l за мезофилен и термофилен процеси. В резултат на ферментацията се получава амонификация на протеинов азот с натрупване на амониеви катиони в средата. При нормална ферментация съдържанието на амониеви катиони не надвишава 500-800mg/l. В биогаза се контролира съдържанието на метана, въглеродния диоксид и водорода.

Система за автоматичено управление

Автоматичното управление на метантанковете се основава на непрекъснато и точно измерване на входните и изходните технологични параметри на анаеробния ферментационен процес на преработваните утайки. Контролът на технологичните параметри се извършва с помощта на устройства, които се поставят на мястото на измерванията (сензори), на таблото за автоматизация в камерата за управление на метантанка и в контролната диспечерска зала. За да се намали броят на устройствата и да се намалят размерите на КИП-панелите, няколко параметъра със същото име, се измерват от едно и също вторично устройство-свързват се последователно към различни измервателни преобразуватели, а някои параметри се контролират на панелите за автоматизация чрез сигнални лампи, показващи нормалните граници на измерените стойности и появата на неприемливи отклонения. В метантанка се контролира температурата в горната, средната и долната зони, както и налягането на газа. Температурата се измерва с термистори, които се свързват с логомерите в контролната зала.