Предотвращение пенообразования в метантенках. Применение метода дозирования флокулянта в сырой осадок перед сбраживанием

Анаэробное сбраживание осадков сточных вод зачастую сопровождается таким побочным явлением, как активное пенообразование. В начале 2013 года при эксплуатации метантенков Курьяновских очистных сооружений произошло резкое увеличение пенообразования, приводившее к заполнению газотранспортной сети и нарушению режима сбраживания. По предложению Инженерно-технологического центра ОАО «Мосводоканал» для снижения пенообразования (гашения пены) в метантенках был внедрен технологический прием по дозированию флокулянта в сырой осадок первичных отстойников перед подачей на сбраживание. Предварительно была рассчитана максимальная рабочая доза флокулянта - 1,5 кг/т с.в. осадка. В процессе эксплуатации дозу снижали или поднимали до расчетной в зависимости от активности пены. Фактические затраты на пеногашение с помощью флокулянта многократно ниже расчетных затрат с применением пеногасителя.

Проблема пенообразования в устройствах для анаэробной обработки осадков является одной из наиболее актуальных при эксплуатации сооружений очистки сточных вод. Так, по данным Американского общества гражданских инженеров (ASCE), более половины из существующих станций анаэробной обработки сталкивались с данной проблемой постоянно или эпизодически (Tavery и др., 1979). Формирование пены в анаэробных реакторах наблюдалось при эксплуатации сооружений по очистке сточных вод в Германии (Weiland и др, 2009, Moeller и др., 2010), Швеции и других странах (Barber и др., 2005; Westlund и др.,1998). Московские очистные сооружения также неоднократно сталкиваются с данной проблемой. Особенно остро этот вопрос встал в период остановки и реконструкции 1 блока Ново-Курьяновских очистных сооружений (НКОС) производительностью 1 млн.м³.

Пена представляет собой двухфазную коллоидную систему, образованную газом, диспергированным в жидкости, в которой присутствуют поверхностно активные вещества (ПАВ) в критической концентрации. ПАВ понижают поверхностное натяжение воды и, таким образом, позволяют пене стабилизироваться (Varley и др., 2004) (рис. 1-2).

Результатом пенообразования является неэффективная газогенерация, приводящая к дополнительным затратам на получение электроэнергии. При образовании пены в метантенке формируется инверсный профиль твердых частиц, происходит увеличение концентрации вещества в верхней части сооружения, образование «мертвых зон» и сокращение полезного объема реактора, что приводит к нарушению режима анаэробной стабилизации осадка. Кроме того, попадание пены может блокировать газовые перемешивающие устройства, засорять насосы рециркуляции осадка и трубопроводы для сбора газа; пена может проникать между крышками и стенками реактора и выходить наружу из метантенка, что фактически означает коллапс на сооружениях обработки осадка (Ganidi и др., 2009).

МЕТОДЫ

Для оценки потенциала пенообразования проб сырого осадка и активного ила КОС была использована методика, разработанная в Инженерно-технологическом центре ОАО «Мосводоканал» на основании работы авторов Ho C.F. и Jenkins D. (1991). Суть метода состоит во флотации гидрофобных компонентов иловой смеси аэротенка (в том числе нитчатых микроорганизмов) под действием пузырьков газа с последующим образованием пены на поверхности жидкости. Для этого в исследуемую жидкость (250 мл в 500 мл цилиндре) добавляется препарат, при растворении которого образуются пузырьки углекислого газа. Мерой потенциала пенообразования является объем образовавшейся пены относительно исходного объема осадка.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЯ

Ниже дан график, сравнивающий интенсивность пенообразования в метантенках КОС и соотношение беззольного вещества осадка первичных отстойников (ПО) и беззольного вещества активного ила (АИ) (Рисунок 3).

Рост доли беззольного вещества сырого осадка в субстрате приводит к экспоненциальному увеличению количества пенящихся метантенков КОС и продолжительности пенообразования. Критическим значением отношения органического вещества осадка первичных отстойников к органическому веществу активного ила является величина 1,5. При увеличении этого значения происходит резкий рост интенсивности пенообразования метантенков КОС.

Объем пены, образованный 1 г органического вещества сырого осадка КОС, в 2-3 раза выше, чем объем пены, образованный тем же количеством органического вещества активного ила от различных блоков очистки сточной воды КОС (Таблица 1). 

Вероятно, это объясняется тем, что поверхностно-активные вещества сточной воды концентрируются в осадке первичных отстойников. Остальная часть СПАВ с осветленной сточной водой поступает в аэротенки, где утилизируется микроорганизмами активного ила. Это подтверждается данными анализа проб, осадка первичных отстойников и избыточного активного ила КОС на содержание СПАВ (Таблица 2).

Для борьбы с пенообразованием в метантенках достаточно часто применяют пеногасители. Влияние на пенообразование пеногасителей было исследовано экспериментально по описанной выше методике. Лабораторно были проанализированы 8 препаратов компании Ashland. Критерием отбора было снижение уровня пенообразования на 50% и более при дозе пеногасителя 100 мкл/л. Таким образом, из 8 было выделено 3 препарата: Antispumin Al, Antispumin ВА, Ashland MSDS ASW. Были рассмотрены следующие концентрации пеногасителей: 20 мкл/л, 100 мкл/л, 200 мкл/л (Рисунок 4). Наилучший результат получен для препарата Antispumin Al – 90% снижение пенообразования при дозе 100 мкл/л (0,1 л/м³) для сброженного осадка КОС.

Как альтернатива варианту с экстренной закупкой пеногасителя Инженерно-технологическим центром ОАО «Мосводоканал» был предложен технологический прием по дозированию флокулянта в сырой осадок первичных отстойников перед подачей на сбраживание в метантенки.

При проведении лабораторных тестов на вспенивание было выявлено положительное влияние флокулянта в предотвращении пенообразования (Рисунок 5). Добавление флокулянта в осадок при дозе 1,5 кг/т с.в. практически полностью позволяло предотвратить образование пены в загрузочной смеси и в 2 раза снизить потенциал пенообразования для сброженного осадка. Необходимо отметить, что, как правило, оптимальной дозой флокулянта для сброженного осадка является 6-8 кг/т с.в., а для сырого осадка 2-2,5 кг/т с.в. осадка. В нашем случае используется доза, способная лишь разрушить дисперсную структуру осадка, после чего стабильность пенообразования резко понижается.

Действие флокулянта на осадок известно. В процессе реагирования происходит хлопьеобразование с фазовым разделением. Сырой осадок, как правило, содержит высокие концентрации легкодоступной органики, которая в первую очередь задействуется в процессе сбраживания. Интенсивная газогенерация при этом увеличивает пенообразование. Образующийся газ при сбраживании с добавлением флокулянта теряет способность образовывать мелкодисперсную пену, а образует лишь крупные пузыри, которые менее стабильны и быстро разрушаются (Рисунок 6).

На основе проведенных исследований в мае 2013 года было принято решение об использовании флокулянта в борьбе с активным пенообразованием. Рабочую дозу флокулянта приняли на уровне 1,5 кг/ т.с.в. осадка. Дозирование флокулянта было осуществлено в трубопровод с сырым осадком первичных отстойников перед подачей его на смешение с активным илом в центральной приемной камере (ЦПК). После смешения всех осадков происходит распределение смеси по метантенкам. Суть примененного технологического приема представлена на схеме (Рисунок 7).

Для отслеживания ситуации с пенообразованием, в метантенках используются датчики пены. Датчики срабатывают, когда уровень пены достигает критической отметки, и сигнализируют о необходимости принятия мер. Сигнал продолжается до тех пор, пока уровень пены не снизится до приемлемого значения.

Контроль и действие флокулянта на процесс пенообразования решено было отслеживать с помощью сигналов датчиков пены на метантенках 4 группы КОС (№ 13, 14, 15 и 16). Положительный эффект от подачи флокулянта начал проявляться на 4-5 сутки после запуска. Через неделю срабатывание датчиков пены полностью прекратилось (Рисунок 8).

До запуска дозирования флокулянта усиленное пенообразование активно способствовало нарушению режима сбраживания и препятствовало поддержанию температуры в необходимом термофильном диапазоне. Данный технический прием позволил выправить ситуацию. На графике (Рисунок 9) видно, как после начала дозирования увеличивается температура. В течение месяца термофильный режим сбраживания был нормализован и дозирование флокулянта перешло в профилактический режим с дозой 0,5-1,0 кг/т с.в. В периоды активного всплеска образования пены дозу увеличивали до 1,0-1,5 кг/т с.в. в зависимости от ситуации.

Так как интенсивность пенообразования в метантенках в течение года варьирует, сложно рассчитать годовую потребность реагента для пеногашения. Поэтому, для сравнения был проведен расчет месячной потребности реагентов и ориентировочные затраты на исследуемые пеногасители (Таблица 3).

За второе полугодие 2013 года для предотвращения пенообразования в итоге было потрачено около 60 тонн флокулянта, что в денежном эквиваленте составляет порядка 6 млн. руб. Таким образом, среднемесячные затраты на флокулянт для пеногашения составили около 1 млн. рублей. Это ниже расчетных цифр для флокулянта на 44% и в 7 раз по сравнению с пеногасителем. Данный технологический прием позволил не только восстановить нормальный режим работы метантенков, но и поддерживать его несмотря на повышенные временами нагрузки на сооружения.

Без применения каких либо технологических решений ситуация с пеной могла резко усугубиться, что и наблюдалось весной 2013 года. Разработанная в Инженерно-технологическом центре ОАО «Мосводоканал» и внедренная технология пеногашения с помощью добавления флокулянта дала положительный результат, как с технической, так и с экономической точки зрения.

В процессе промышленного применения данного приема было выявлено, что доза в 1,5 кг/т с.в. осадка позволяет за несколько дней снизить пенообразование до минимума. Доза от 0,5 до 1,0 кг/т является профилактической и обеспечивает пролонгацию достигнутого эффекта.

Как показывает расчет, применение флокулянта требует значительно меньших финансовых затрат по сравнению с использованием пеногасителя для достижения такого же эффекта.

ВЫВОДЫ:

На основе лабораторных исследований Инженерно-технологического центра ОАО «Мовсодоканал» была разработана, просчитана и внедрена технология дозирования флокулянта в сырой осадок перед сбраживанием.

Данное решение в процессе применения позволило выправить нараставшую проблему с пенообразованием в метантенках и стабилизировать режим сбраживания.

Фактические затраты на пеногашение с помощью флокулянта многократно ниже расчетных затрат на применение пеногасителя.

Михаил Козлов, начальник Управления новой техникии технологий;

Михаил Богомолов, заместитель генерального директора – начальник Управления канализации;

Марина Кевбрина, начальник отдела очистки сточных вод Инженерно-технологического центра Управления новой техники и технологий;

Вадим Исаков, начальник технологического отдела Курьяновских очистных сооружений;

Геннадий Колбасов, главный специалист отдела водоподготовки Инженерно-технологического центра Управления новой техники и технологий;

Антон Агарёв, инженер 1 категории отдела водоподготовки Инженерно-технологического центра Управления новой техники и технологий.

ОАО «Мосводоканал»

Опубликовано: «ВодаMagazine», №5, 2014