Основные результаты промышленных испытаний технологии сбраживания осадка с рециклом биомассы

М.Н. КОЗЛОВ, М.В. КЕВБРИНА, Г.А. КОЛБАСОВ, А.М. АГАРЁВ, П.С. ШАШКИНА

Исследование технологии сбраживания осадка с рециклом биомассы в лабораторных условиях показало перспективные результаты. Следующей задачей было испытать её в промышленных масштабах, что и было реализовано.

В результате промышленных испытаний, в варианте с рециклом удалось достичь увеличения распада беззольного вещества в среднем до 56,6 %, при значении в контрольном варианте 42,2%. Увеличение распада привело к значительному улучшению водоотдающих свойств осадка. Среднее повышение выхода биогаза составило 3,0%. В процессе эксперимента негативного влияния технологии рецикла осадка на технологическую работу метантенка не зафиксировано. Полученные результаты позволяют сделать вывод о высокой перспективности внедрения технологии сбраживания осадка с рециклом биомассы на Московских очистных сооружениях.

Ключевые слова: анаэробное сбраживание, сгущение осадка, рецикл, увеличение распада.

Введение

Основным звеном в обработке осадка на Московских очистных сооружениях является термофильное сбраживание в метантенках. В результате сбраживания достигаются две основные цели: стабилизация и обеззараживание осадка, уменьшение его объема. Кроме того, вырабатывается биогаз, при сжигании которого вырабатывается тепловая и электрическая энергия. Обеззараживание достигается выдерживанием осадка в течение более чем 6 суток при температуре 53^°С. Уменьшение объемов осадка и его стабилизация происходят за счет разложения органического вещества. Чем глубже происходит разложение, тем меньшую массу осадка необходимо будет обезвоживать и утилизировать на полигонах. Кроме того, увеличение распада органического вещества приводит к меньшему расходу реагента как из-за снижения массы осадка, так и из-за уменьшения удельной дозы на обезвоживание за счет улучшения водоотдающих свойств и стабилизации осадка.

В Инженерно-технологическом центре на протяжении нескольких лет проводились поиск и исследование технологий в лабораторных условиях, которые способны интенсифицировать процесс сбраживания в рамках существующих объемов сооружений. В результате, был найден метод, при котором часть осадка после сбраживания подвергается уплотнению (сгущению) после чего сгущенный осадок возвращается обратно в метантенк. Возвратный поток состоит не только из биомассы метанообразующих бактерий, но также из не полностью разложившегося органического вещества осадка. При таком подходе растворенное органическое вещество разлагается в первую очередь, а оставшиеся в твердой фазе частицы органического вещества, требующие большего времени разложения, возвращаются на повторное сбраживание. Важным преимуществом является возможность повышения времени пребывания осадка по сухому веществу без увеличения гидравлического времени пребывания, а также одновременно удержание биомассы. Вследствие этого необходимая степень распада достигается в реакторах меньшего объема. При изучении технологических решений по оптимизации процесса сбраживания осадков сточных вод, технология рецикла сброженного осадка (биомассы) показала себя наиболее экономически перспективной для проведения дальнейших испытаний.

Суть экспериментальной технологии имеет классическую задачу: повышение концентрации осадка в метантенке. Как известно, данную цель можно достичь 2 способами: путем предварительного сгущения загружаемого осадка или рециркуляцией концентрированного сброженного осадка. В первом случае в метантенке увеличивается концентрация сбраживаемого субстрата, во втором – биомасса микроорганизмов, участвующих в процессе.

Целью промышленного эксперимента было испытать технологию сбраживания осадка с рециклом биомассы в промышленных масштабах для подтверждения результатов, полученных в лабораторных исследованиях.

Концентрирование сброженного осадка для осуществления рецикла может быть выполнено в виде флотации (аноксидной и воздушной), центрифугирования, мембранной фильтрации или даже гравитационных ленточных сгустителей. Технология достаточно активно распространяется в США, Австралии и Новой Зеландии последние 5-7 лет. Известно, как минимум, о семи полномасштабных внедрениях на очистных сооружениях производительностью от 10 до 400 тыс м³/сут. Так, более 91% энергообеспеченности было достигнуто на очистных сооружениях Gloversville-Johnstown Joint Wastewater Treatment Facility, NY, США за счет внедрения рекуперативного уплотнения, что позволило совместно сбраживать осадок и отходы молочной и сыроваренной промышленности. С 2009 по 2011 годы произошло увеличение газогенерации в три раза. Количество обрабатываемого осадка значительно снизилось, а его водоотдающие свойства улучшились, что позволило сократить время работы оборудования по обезвоживанию также в 3 раза. Другим примером является внедрение технологии рекуперативного уплотнения на сооружениях в Spokane Advanced Wastewater Treatment Plant, Spokane, штат Вашингтон, США. Доля рецикла составляла 25%, сгущение сброженного осадка осуществлялось флотацией воздухом, что позволило увеличить время пребывания по сухому веществу с 15,7 суток до 24 сут. В результате, распад БВ увеличился с 50 до 64%, ухудшения качества возвратных вод не было установлено. На стадии уплотнения произошло увеличение использования полимера на 15%, но зато при обезвоживании кека его потребление сократилось на 22%.

Методы

Для проведения промышленных испытаний были выбраны метантенки на Ново-Люберецких очистных сооружениях. Один из метантенков был назначен как экспериментальный (с рециклом), второй использовался в качестве контрольного. При проведение эксперимента нагрузку на оба метантенка держали одинаковой.

Способ сгущения рецикла должен отвечать определенным условиям, а именно: обеспечивать сохранность активности термофильных метаногенных бактерий; не разрушать бактериальную морфологию клеток; не подвергать сгущенный осадок воздействию кислорода, который ингибирует процессы анаэробного сбраживания. Исходя из этих условий и лабораторных исследований, был выбран метод центрифугирования осадка, как наиболее перспективный способ сгущения рецикла.

Основным оборудованием для проведения данного эксперимента была выбрана установка компании Flottweg для сгущения осадка с декантером FlottwegC5E-4/454.

Установка состоит из 2 контейнеров. Один контейнер оснащен центрифугой и транспортерами, в другом контейнере располагается узел приготовления флокулянта (УПФ).

Объемы загрузочной смеси для контрольного и экспериментального метантенков поддерживались одинаковыми. Средний расход загрузочной смеси старались поддерживать на уровне 45 м³/час. Так как метантенк действует по принципу сообщающихся сосудов, то из него выходит объем равный загруженному. Такой же расход был выставлен и на декантере.

Подготовка флокулянта происходила на УПФ (узел приготовления флокулянта) в отдельно стоящем контейнере. Концентрация рабочего раствора флокулянта составляла 0,15 %. Марка использовавшегося во время эксперимента флокулянта FlopamFO 4490 SSH.

Для возможности контроля и регулирования процесса сгущения осадка в самой установке были расположены 2 прибора для измерения влажности (SartoriusMA-30). С помощью них ежедневно определялась влажность сброженного осадка на входе в декантер, сгущенного осадка (рецикла) и фугата. На основе результатов корректировались уставки в декантере и доза флокулянта.

Для сравнения водоотдающих свойств осадка, сброженного по традиционной и новой технологиям, определяли УСФ – удельное сопротивление фильтрации.

Распад органического вещества оценивали по массовому балансу (% от массы поступающего беззольного вещества). Газогенерацию рассчитывали по формуле:

R_г = V_удp· 100,

где V_уд – удельная газогенерация, т.е. объем газа выделившийся на единицу массы поступающего беззольного вещества, м³/кг; p – плотность газа, кг/м³.

Результаты и обсуждения

В контрольном варианте гидравлическое время пребывания (HRT), равное времени пребывания по сухому веществу (SRT), составило 7,8 суток, а в экспериментальном варианте соотношение SRT/ HRT было равным 2,1 при одинаковой нагрузке по беззольному веществу.

Схема потоков при промышленном испытании технологии с рециклом биомассы представлена на рисунке 3 (Q – среднесуточный объем загрузки).

В результате, спустя 2 недели после начала эксперимента концентрация сухого вещества в метантенке возросла с 20-21 г/л до 28-30 г/л, в среднем на 8-10 г/л.

Также возросла средняя зольность сброженного осадка на выходе с 39,5 до 41,0%. Необходимо отметить, что при полученном распаде следовало ожидать увеличение зольного вещества на выходе несколько выше. Но также следует принимать во внимание, что в производственном масштабе существует проблема отложения и накопления зольного вещества (песка) в застойных зонах метантенка, которая приводит к необходимости проведения периодических расчисток. Если перевести потерянную зольность в массовое выражение и учесть объемную плотность влажного песка (~ 2,0-2,5 кг/м³), то получим совсем незначительный объем (не более 30-40 м³).

При планировании эксперимента изначально ставили задачу добиться максимального процента рециркуляции осадка, учитывая, что технические и технологические особенности работы внесут свои поправки. Таким образом, за расчетный период времени эксперимента процент рециркуляции составил 77,2%. Расчетным периодом был выбран временной промежуток спустя несколько недель после запуска технологии, стабилизации уровня сухого вещества в системе и выхода метантенка на стабильный режим работы с рециклом до завершения эксперимента. В итоге, за период эксперимента в контрольном метантенке был зафиксирован распад на уровне 42,2%, а в экспериментальном метантенке распад беззольного вещества получился 56,6% (Таблица 2).

Несовпадение степени возрастания распада беззольного вещества и газогенерации в метантенке с рециклом по сравнению с контрольным метантенком объясняется тем, что при режиме с рециклом в метантенке происходит увеличение медленно разлагаемого органического вещества (например, полимерных углеводов – целлюлозы), обладающего меньшей удельной газогенерацией по сравнению с субстратами, сбраживаемыми в первую очередь (главным образом, жирами). В традиционной технологии доля смеси первичного осадка и активного ила, содержащего легкоразлагаемые жиры, углеводы и белки, составляет 100%, а в технологии с рециклом – 60-70% в зависимости от режима. Известно, что величина удельного газообразования для жиров составляет 1,25 л/г беззольного вещества, а для углеводов – 0,79 л/г, что согласуется с данными других источников. Этим объясняется меньшая удельная газогенерация в реакторе с рециклом в расчете на единицу массы распавшегося вещества.

Повышение глубины сбраживания должно отражаться на водоотдающих свойствах осадка, что и наблюдалось при тестировании осадков для определения удельного сопротивления фильтрации (УСФ). В большинстве случаев, показатели УСФ осадка с экспериментального метантенка оказывались ниже значений контрольного варианта.УСФ в опыте с рециклом составило в среднем 1781 см/г 10^-10. Осадок с контрольного метантенка показывал стандартные для традиционной технологии сбраживания значения УСФ порядка 2588 см/г 10^-10.

Таким образом, улучшение водоотдающих свойств при рецикле сброженного осадка говорит о более полном распаде коллоидов и достаточно высокой его стабилизации.

При моделировании технологии рецикла сброженного осадка в лабораторных условиях значимого увеличения концентрации фосфора фосфатов в жидкой фазе осадка с рециклом не наблюдалось. Тем не менее, в промышленном эксперименте в экспериментальном варианте выявлен повышенный выход фосфора фосфатов в жидкую фазу на 31,1%. Причиной этого может быть отличный от стандартных условий ил благодаря блоку удаления биогенных элементов (БУБЭ). Наличие фосфатаккумулирующего ила в системе и более глубокое его разложение при сбраживании способствует повышенному выходу фосфатов в жидкую фазу при обезвоживании осадка. Средняя концентрация взвешенных веществ в фугате составила 1,5 г/л, что не выходит за рамки планируемых в эксперименте значений.

Выводы

Результаты промышленного эксперимента показали перспективность реализации технологии рецикла сброженного осадка на Московских очистных сооружениях. В процессе эксперимента негативного влияния рецикла сброженного осадка на технологическую работу метантенка не зафиксировано. Более того, двукратное увеличение времени пребывания сухого вещества позволило добиться распада беззольного вещества до 56,6%, что также подтверждается и значительным улучшением водоотдающ их свойств осадка. Но значительного увеличения газогенерации при проведении промышленных испытаний получено не было, также как и в лабораторных опытах.

Расчеты показали, что при внедрении технологии с рециклом биомассы можно ожидать сокращения сухого вещества на выходе из метантенков по сравнению с традиционной технологией на 9-10%. Необходимость в флокулянте при сгущении рецикла минимизируется улучшением водоотдающих свойств осадка и, таким образом, снижением его потребности при обезвоживании.

Козлов Михаил Николаевич, кандидат технических наук, начальник Управления новой техники и технологий, АО «Мосводоканал», 105005, Россия, Москва, Плетешковский пер., 2, тел.: (499) 263-93-64, e-mail: kozlov@mosvodokanal.ru.

Кевбрина Марина Владимировна, кандидат биологических наук, начальник отдела очистки сточных вод и обработки осадка, Инженерно-технологический центр, АО «Мосводоканал», 109235, Россия, Москва, 1-й Курьяновский проезд, 15, тел.: (495) 348-49-90, e-mail: kevbrina_mv@mosvodokanal.ru.

Колбасов Геннадий Александрович, кандидат биологических наук, главный специалист отдела водоподготовки, Инженерно-технологический центр, АО «Мосводоканал», 109235, Москва, 1-й Курьяновский проезд, 15, е-mail: k_ga@list.ru, Тел. +7 495 348 52 33; факс +7 495 348 17 17

Агарёв Антон Михайлович, инженер 1 категории отдела водоподготовки Инженерно-технологического центра управления новой техники и технологий АО «Мосводоканал», 109235, Москва, 1-й Курьяновский проезд, 15, e-mail: antonagarev@yandex.ru

Тел.: (495) 348-16-13

Шашкина Полина Сергеевна, ведущий инженер отдела очистки сточных вод Инженерно-технологического центра управления новой техники и технологий, АО «Мосводоканал», 109235, Россия, Москва, 1-й Курьяновский проезд, 15, тел.: (495) 348-16-13

Опубликовано: в материалах Международной конференции "Обработка и утилизация осадка сточных вод в коммунальном хозяйстве и промышленности", 27 мая 2015 г., [электронный ресурс]. – М. : ЗАО "Компания ЭКВАТЭК", 2015.