CC BY
6
УДК 628.336.5
DOI: 10.15587/2313-8416.2016.85400
АНАЛ1З ВПЛИВУ ПАРАМЕТР1В МЕТАНОВОГО ЗБРОДЖУВАННЯ ОСАД1В СТ1ЧНИХ ВОД НА ЕФЕКТИВН1СТЬ ПРОЦЕСУ
© К. Б. Сорокша
INFLUENCE ANALYSIS OF SEWAGE SLUDGE METHANE FERMENTATION PARAMETERS ON PROCESS EFFICIENCY
© K. Sorokina
Проанал1зовано залежтсть ефективностi розкладання оргашчноЧ речовини ocadie cmiuHux вод eid умов орган1заци та проведення процесу. Шдтримка оптимальних значень ряду пaрaметрiв дозволяе забезпе-чити неoбхiдну повноту прoтiкaння процесу зброджування ocaдiв, а також отримання розрахунковог K^b^cmi бioгaзу. Утилiзaцiя бioгaзу дозволяе скоротити витрати на oбiгрiв самих реaктoрiв i забезпе-чити додаткове отримання тших видiв енергП
Ключовi слова: осади cтiчних вод, анаеробне зброджування, мезофтьт умови, термофтьт умови, 6io-газ, метан
The efficiency dependence of sewage sludge organic matter decomposition from organization and conditions of the process is analyzed. Support of the optimal values of several parameters ensures to provide completeness of the sludge fermentation process and obtain biogas in calculated amount. Biogas utilization reduces costs for reactor heating and provides additional obtaining of other types of energy
Keywords: sewage sludge, anaerobic fermentation, mesophilic conditions, thermophilic conditions, biogas, methane
1. Вступ
При очищенш спчних вод основну частину !х забруднень, а також бюмаси та реагенпв, яю викорис-товують для очищення, затримують у виглядi осащв. Велика юльшсть осащв, що утворюються, !х волопсть i схильнють до розкладання обумовлюють необхвд-тсть реалiзацií техшчних ршень з гх переробки.
Стабшзащя осадiв заснована на змш Гх фiзи-ко-хiмiчних характеристик та супроводжуеться приг-нiченням житгедiяльностi гнильних бактерш ^кро-органiзмiв кислотного бродiння).
Крiм цього, органiчнi сполуки в осадах можуть розглядатися для утворення енерги, так як ввдомо, що при зброджуванш в анаеробних умовах оргашчна речовина розпадаеться з утворенням основних шнце-вих продуктiв - метану (СН4) i двоокису вуглецю (CO2). Встановлено, що гази в основному утворюються з вуглеводiв, жирiв i бiлкiв, як1 складають 8085 % загальноГ кiлькостi оргашчно! речовини осаду, при цьому найбшьша кiлькiсть газiв утворюеться за рахунок розпаду жирiв [1]. Так як кожен оргашчний компонент дае рiзну к1льк1сть газу, а вмiст осащв рiзних мiст вiдрiзняеться, то, отже, ввд кожного осаду буде отримано рiзну к1льк1сть газу.
Використання бюгазу зменшуе забруднення повiтряного середовища i забезпечуе скорочення тд-приемствами з очищення спчних вод споживання палива i енергií вiд мiських тепло- i електростанцiй.
1нтенсивний процес мiнералiзацií вимагае створення спецiальних умов, яш оптимально забез-печують всi його стади.
Таким чином, можна зробити висновок про те, що створення оптимальних умов розкладання органь
чноГ речовини осащв стiчних вод дозволяе забезпе-чити необх1дну повноту пропкання процесу, а також отримання розрахунковоГ кiлькостi бiогазу.
Цим обгрунтовуеться актуальшсть проведення даних дослiджень.
2. Аналiз лiтературних даних та постановка проблеми
Серед технолопчних прийомiв, що реалiзу-ються для стабiлiзацií осадiв спчних вод застосову-ють [2]:
- мiнералiзацiю органiчноí речовини в анаеробних i аеробних умовах, теплову обробку, бiотермiч-не розкладання;
- тдвищення активно! реакцií середовища;
- термiчну обробку;
- зневоднення осащв;
- додавання реагентiв, як1 перешкоджають ро-звитку мiкроорганiзмiв.
Вибiр застосовуваного методу i ступiнь його впливу можуть забезпечувати як неповну (тимчасо-ву), так i необоротну стабшзащю.
Найбiльшу доцiльнiсть для реалiзацií на мунь ципальних каналiзацiйних очисних спорудах мають методи бiологiчноí анаеробноí стабшзацп.
Умовно прийнято, що розпад вщбуваеться в двi фази.
На першому ступенi факультативнi мжроорга-нiзми, зваш iнодi бактерiями, що утворюють кислоту, перетворюють складш органiчнi речовини осадового субстрату (бiлки, вуглеводи, жири) в прост органiчнi жирнi кислоти шляхом гiдролiзу i ферментативного розщеплення. Основш кiнцевi продукти при викори-
станш осад1в в якосп субстрапв представлен оцто-вою кислотою приблизно на 70 % 1 протоново! кислотою, вмют яко! складае приблизно 15 % [3, 4]. Мь крооргашзми, яш беруть участь в цьому процеа, фу-нкцюнують в широкому д1апазош змши умов, 1 час !х дшення вим1рюють годинами.
На другому ступеш строго анаеробш мжроор-гашзми, як1 називають такими, що утворюють метан, перетворюють оргашчш кислоти в метан, дюксид вуглецю та шш1 гази, як присутш в малих шлькос-тях. Ц бактери б1льш чутлив1 до умов навколишньо-го середовища, шж бактери першо! фази, 1 зазвичай час !х дшення вим1рюють добами [4]. Саме тому весь процес контролюють бактери другого ступеня.
При метановому зброджуванш необхвдно зав-жди розглядати не окрем1 групи бактерш, а все ств-товариство в цшому. Ефектившсть процесу в ньому залежить не т1льки в1д д1яльност1 оргашзм1в, що беруть участь в данш реакци, але й в1д життед1яльност1 бактерш, яш споживають продукти ще! реакци. На-копичення продукпв обм1ну однш з1 стадш процесу веде до гальмування шших.
При зброджуванш осад1в розпад оргашчно! речовини становить 25-53 %, ввдповщно зменшуеть-ся к1льк1сть сухо! речовини осад1в (до 30 %) 1 пвдви-щуеться !х волопсть (на 1,4-1,6 %) [5].
3. Мета та задачi досл1дження
Метою дослвджень був анал1з 1 систематизация даних про параметри, яш впливають на процес анае-робного розкладання оргашчно! речовини осад1в сть чних вод, що дозволить визначати оптимальш режи-ми проведения процесу 1 забезпечить повноту його пропкання, дасть можливють отримувати стабшзо-ваш осади з метою подальшо! !х утил1заци, забезпечить надшну та безпечну експлуатацш реактор1в.
Для досягнення поставлено! мети були вирь шеш наступш задача
1. Анал1з основних технолопчних параметр1в, як1 впливають на ефектившсть процесу зброджування оргашчно! речовини осад1в спчних вод.
2. Дослвдження впливу коливань параметр1в стабшзаци осад1в на хвд процесу, а також взаемозв'я-зок основних параметр1в та !х спшьний вплив на зброджування.
3. Визначення результата, як1 можуть бути досягнут! при шдтримщ оптимальних параметр1в процесу метанового зброджування осад1в спчних вод.
4. Вплив параметрiв метанового зброджування на ефектившсть процесу
Серед основних технолопчних параметр1в, яш впливають на ефектившсть процесу зброджування, можна видшити: температуру; тривалють зброджування; навантаження за сухою беззольною оргашч-ною речовиною; концентращю осаду, що завантажу-ють; режим завантаження; режим перемшування.
Виходячи з теоретичних передумов, оптима-льними температурами для анаеробного метанового зброджування вважають 33-35 °С у мезофшьнш 1 5355 °С в термоф1льнш зонах. Однак встановлено, що температурш оптимуми при зброджуванш р1зних
органiчних субстрапв зсуваються на юлька градусiв в сторону зменшення або збшьшення [3].
KpiM цього, в процеа зброджування мжроор-гaнiзми адаптуються до заданого температурного режиму. При переведенш мезoфiльнoгo режиму на термофшьний aдaптaцiя зазвичай зак1нчуеться за 1020 дiб завдяки тому, що мезофшьне бioлoгiчне сшв-товариство завжди включае певну к1льк1сть (бiльше 10 %) термофшьних мiкpoopгaнiзмiв.
Стyпiнь впливу короткочасного зниження або шдвищення температури на показники процесу юто-тна. Так, зниження температури всього на 2 °C ввдби-ваеться на показниках процесу. Чим вище температура зброджування, тим вyжчi пpипyстимi меж1 !! коливань. При t=38 °C припустиме коливання температури становить ±2,8 °C, а при t=53-55 °C - ±0,3 °C. Зниження температури з 50 до 40 °C протягом двох дiб з подальшим пiдвищенням на 5 °C призводить до зниження виходу бioгaзy на 11 %, а якщо вказане зниження температури ввдбуваеться протягом 5 дiб. то вихiд газу повшстю припиняеться. Зниження температури з 50 до 20 °C протягом 2-5 дiб призводить до повного припинення гaзoвидiлення. Пiдвищення температури з 38 до 60 °C протягом 12 год. з наступ-ним ввдновленням початково! температури повшстю зупинить гaзoвидiлення, яке знову почнеться пльки на вiсiмнaдцятy добу.
Температурний режим тiснo пов'язаний з часом перебування осаду в реактора Чим бiльше сирого осаду завантажують в метантенк, тим бiльше нако-пичуеться жирних кислот i знижуеться значения рН, тим бiльше пoтpiбнo часу для вiднoвления процесу бродшня пiсля доведення температури до розрахун-ково!. Тому при пopyшеннi температурного режиму роботи метангеншв i пoявi перших ознак порушення процесу (зменшення газовидшення, зменшення вмю-ту в гaзi метану, пвдвищення у склaдi мулово! вод! летких жирних кислот) необхвдно знижувати дозу завантаження метантенка.
3i зменшенням тpивaлoстi зброджування, тоб-то з тдвищенням дози завантаження, вихiд газу при вах температурних режимах знижуеться, однак в зош теpмoфiльних температур це зниження вщбува-еться пов№шше, н1ж в зoнi мезoфiльних температур [6, 7]. Чим вище доза завантаження, тим вище переваги термофшьного процесу за виходом газу.
Ввд таких пapaметpiв, як концентращя, навантаження за сухою беззольною речовиною, а також час перебування осаду в метантенку в шнцевому рахунку залежать oснoвнi техиoлoгiчнi показники процесу -розпад оргашчно! речовини i вихвд бioгaзy [8, 9].
Також на показники анаеробного зброджування безпосередньо може впливати змша шлькосп води в субстратах. При надшрно низьшй (менше 91 %) i при пiдвищенiй (понад 97 %) вологосп в тpaдицiйнoмy процеа зброджування рщких oсaдiв вiдбyвaються порушення, як1 ведуть до зниження виходу бюгазу. При цьому спoстеpiгaеться вщхи-лення вiд норм лyжнoстi середовища та вмюту амо-нiйнoгo азоту в муловш piдинi. При застосуванш тpaдицiйних кoнстpyкцiй метaнтенкiв низька волопсть oсaдiв може призвести до повного порушення
процесу зброджування через попршення Тх власти-востi текучостi.
Перемiшування вмюту реактора необх1дно проводити з метою забезпечення ефективного вико-ристання всього об'ему реактора, запобiгання утво-рення мертвих зон та розшарування осаду, ввдкла-дення пiску i утворення шрки, вирiвнювання температурного поля. Крiм того, перемiшування мае спри-яти вирiвнюванню концентрацiй метаболiтiв, яш утворюються в процес бродiння i е промгжними субстратами для мiкроорганiзмiв або iнгiбiторами !х житгедiяльностi, а також концентрацп токсичних речовин, що мютяться у вихвдному осадi, шдтримщ тiсного контакту мiж бактерiальними ферментами та ^'х субстратами та ш.
Бiльш значний вплив неефективного перемь шування в поеднаннi зi зниженням температури. Зниження ефективного обсягу реактора на 50 % за рахунок поганого перемiшування при 1=35 °С змен-шуе ефективнiсть зброджування при великому час перебування (бiльше 30 дб) на 5 %, а при 1=30 °С -на 16 %.
Але особливо впливае перемiшування при короткому чай перебування осаду в реакторi. При чай перебування 10 дiб ефективнють зниження БСК зни-жуеться в 2 рази, а при зниженш температури процесу до 30 °С зброджування взагалi не ввдбуваеться.
Також на процес зброджування ютотно впливае режим завантаження. Бюреактори можуть пра-цювати в перюдичному, безперервному i натвбезпе-рервному режимах. При завантаженш один раз на добу швидшсть розкладання значно змiнюеться в перiод мiж завантаженнями. Шсля завантаження ви-х1д газу найвищий i в два рази перевищуе вих1д газу перед наступним завантаженням.
5. Результати дослщжень
Температура надае перш за все вплив на шви-дк1сть бiологiчноí конверсií органiчноí речовини мж-роорганiзмами, що в свою чергу визначае тривалiсть зброджування осаду для досягнення одного i того значення розпаду за виходом газу, або, навпаки, при однш i тiй же тривалосп ступiнь розпаду або вихщ газу збшьшуються з пiдвищенням температури.
Найб№ш рацiональною е експлуатацiя метан-теншв за прямоточною схемою, при якш завантаження i вивантаження осаду ввдбуваються одночасно 1 безперервно. Такий режим створюе сприятлив1 температурю умови в метантенку, так як виключаеться охолодження зброджуваноí маси в1д залпових надхо-джень 61льш холодного сирого осаду та мулу, ! за-безпечуе рiвномiрне газовидiлення протягом доби.
Процес 6род1ння необхiдно здшснювати при оптимальному температурному режимi, навиь ко-роткочасне порушення якого, особливо в 61к зниження температури, призводить до гальмування стадп метаногенезу, тому що метанов! бактери е вельми чутливими органiзмами. При цьому активно можуть проходити стади г1дрол1зу та кислотоу-творення, здшснюваш 61льш ст1йкими пдролиич-ними мжрооргашзмами, що призводить до накопи-чення кислот i 1нших пром1жних продуклв, пору-
шення троф1чних зв'язшв в мжробному консорщу-Mi та процесу в цшому.
Для скорочення витрат тепла в деяких випад-ках застосовують згущення осадiв перед зброджу-ванням, пiдiгрiв осадiв в теплообмшниках осадом, випущеним з метантенк1в, або топковими газами в автономних пщ^вачах, яш використовують замiсть котелень [10].
З метою штенсифшацп процесу зброджування осащв здiйснюють рециркуляцiю газу шд тиском, введення в метантенки бюгенних добавок або вугле-кислого газу. У захвдноевропейських кра1нах для скорочення обсягу осащв та полiпшення 1х водоввд-дачi на рядi станцш застосовують двоступеневе зброджування осащв [7]. При цьому на першому ступеш осад зброджують в мезофшьних умовах; другий сту-пiнь являе собою eмнiсть або вiдкритий резервуар, який не обiгрiвають, i вш працюе з низькими дозами завантаження, що призводить до ущ№нення осащв i дозволяе видалити з них частину мулово! води.
6. Висновки
Вибiр i пiдтримку оптимальних параметрiв процесу метанового бродiння проводять для досягнення наступних цiлей:
- тдвищення ефективносп утитзаци бiогазу за рахунок збшьшення його теплотворно! здатносп, що безпосередньо пов'язано iз вмютом в ньому метану;
- скорочення витрат на зневоднення за рахунок полшшення водовiддачi збродженого осаду;
- зменшення витрат на реалiзацiю процесу зброджування шляхом зниження його тривалосп при забезпеченш заданого ступеня розпаду оргашчно! речовини i при зменшенш обсягiв споруд;
- збiльшення кшькосл бiогазу, який видметь-ся в процей бродiння, з метою його використання для скорочення витрат на обiгрiв самих метантенк1в i додаткового отримання шших видiв енергп.
При визначенш параметрiв, як1 необхвдно оп-тимiзувати, i виборi способiв штенсифжаци роботи метантенка необх1дно чiтке розумшня поставлено! мети, тому що не завжди можна одночасно забезпе-чити вирiшення дек1лькох завдань.
Л1тература
1. Туровский, И. С. Осадки сточных вод. Обезвоживание и обеззараживание [Текст] / И. С. Туровский. - М.: ДеЛи принт, 2008. - 376 с.
2. Петрук, В. Г. Природоохоронш технологи. Мето-ди переробки осадгв сгiчних вод [Текст] / В. Г. Петрук, I. В. Василькшський, I. I. Безвозюк, Р. В. Петрук, П. М. Тур-чик. - Вшниця: ВНТУ, 2013. - 324 с.
3. Del Borghi, A. Hydrolysis and thermophilic anaerobic digestion of sewage sludge and organic fraction of municipal soil waste [Text] / A. Del Borghi, A. Converti, E. Palazzi, M. Del Borghi // Bioprocess Engineering. - 1999. -Vol. 20, Issue 6. - Р. 553-560. doi: 10.1007/s004490050628
4. Gerardi, M. H. The microbiology of anaerobic digesters [Text] / M. H. Gerardi. - Hoboken: John Wiley & Sons, 2003. - 188 p. doi: 10.1002/0471468967
5. Черниш, £. Ю. Шляхи гнтенсифжацп анаеробно! переробки осадiв спчних вод [Текст]: мат. мiжн. наук.-пр. конф. / е. Ю. Черниш, Л. Д. Пляцук. - К.: КНУБА, 2011. -С. 153-155.
6. Абрамович, I. О. Сучасш методи отримання i утилiзащi бюгазу з виробленням електрично! енергп [Текст] / I. О. Абрамович, Ю. Г. Марченко, С. I. Абрамович, А. I. Тгтов, I. Л. Бондар // Комунальне господарство мст. - 2006. - № 74. - С. 45-49.
7. Zhang, H. J. Sludge treatment to increase biogas production [Text] / H. J. Zhang. - Stockholm: Trita-LWR Degree Project, 2010. - 32 р.
8. Олiферчук, В. П. Отримання бюгазу шляхом ана-еробного збродження осадiв спчних вод на каналiзацiйних очисних спорудах [Текст] / В. П. Олiферчук, М. Т. Мате-нко // Науковий вюник НЛТУ Укра!ни. - 2012. - Т. 22, № 11. - С. 114-118.
9. Шаманський, С. Й. Енергоефективна та еколопч-но безпечна технологiя стабЫзацп осадгв стачних вод авiа-тдприемств [Текст] / С. Й. Шаманський, С. В. Бойченко // Восточно-Европейский журнал передовых технологий. -2015. - Т. 5, № 8 (77). - С. 39-45. doi: 10.15587/17294061.2015.52264
10. Данилович, Д. А. Влияние предварительной обработки осадков сточных вод на полноту протекания процесса метанового сбраживания [Текст] / Д. А. Данилович, М. Н. Козлов, М. В. Кевбрина, Д. В. Гусев // Вода: технологии, материалы, оборудование, экология. - 2009. - № 2. -С. 24-26.
References
1. Turovskiy, I. S. (2008). Osadki stochnyih vod. Obez-vozhivanie i obezzarazhivanie. Moscow: DeLi print, 376.
2. Petruk, V. G., Vasilklvskiy, I. V., Bezvozyuk, I. I., Petruk, R. V., Turchik, P. M. (2013). Prirodoohoronni tehnologii. Metodi pererobki osadsv stschnih vod. Vinnitsya: VNTU, 324.
3. Del Borghi, A., Converti, A., Palazzi, E., Del Borghi, M. (1999). Hydrolysis and thermophilic anaerobic digestion of sewage sludge and organic fraction of municipal solid waste. Bioprocess Engineering, 20 (6), 553-560. doi: 10.1007/ s004490050628
4. Gerardi, M. H. (2003). The microbiology of anaerobic digesters. Hoboken: John Wiley & Sons, 188. doi: 10.1002/ 0471468967
5. Chernish, E. Yu., Plyatsuk, L. D. (2011). Shlyahi In-tensifikatsiyi anaerobnoyi pererobki osadiv stichnih vod. Mate-riali Mizhnarodnoyi naukovo-praktichnoyi konferentsiyi. Kyiv: KNUBA, 153-155.
6. Abramovich, I. O., Marchenko, Yu. G., Abramo-vich, S. I., Titov, A. I., Bondar, I. L. (2006). Suchasni metodi otrimannya i utilizatsiyi biogazu z viroblennyam elektrichnoyi energiyi. Komunal'ne gospodarstvo mist, 74, 45-49.
7. Zhang, H. J. (2010). Sludge treatment to increase biogas production. Stockholm: Trita-LWR Degree Project, 32.
8. Oliferchuk, V. P., Matvienko, M. T. (2012). Ot-rimannya biogazu shlyahom anaerobnogo zbrodzhennya osadiv stichnih vod na kanalizatsiynih ochisnih sporudah. Naukoviy visnik NLTU Ukrayini, 22 (11), 114-118.
9. Shamanskiy, S. Y., Boychenko, S. V. (2015). Energy efficient and environmentally friendly technology of stabilizing airline enterprises' wastewater sludges. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 5/8 (77), 39-45. doi: 10.15587/ 1729-4061.2015.52264
10. Danilovich, D. A., Kozlov, M. N., Kevbrina, M. V., Gusev, D. V. (2009). Vliyanie predvaritelnoy obrabotki osad-kov stochnyih vod na polnotu protekaniya protsessa metano-vogo sbrazhivaniya. Voda: tehnologii, materialyi, oborudo-vanie, ekologiya, 2, 24-26.
Рекомендовано до публгкацИ д-р техн. наук Душкт С. С.
Дата надходження рукопису 15.11.2016
Сорокша Катерина Бориавна, кандидат техшчних наук, доцент, кафедра водопостачання, водовдаедення i очистки вод, Харкгвський нацюнальний ушверситет мюького господарства iм. О. М. Бекетова, вул. Маршала Бажанова, 17, м. Харюв, Укра!на, 61002 E-mail: [email protected]
Sorokina Kateryna, PhD, Associate Professor, Department of Water Supply, Sewerage and Water Treatment, O. M. Beketov National University of Urban Economy in Kharkiv, Marshala Bazhanov str., 17, Kharkiv, Ukraine, 61002 E-mail: [email protected]
