CC BY
17
УДК 628
doi: 10.55287/22275398 2021 4 5
ЧИСТКА И УТИЛИЗАЦИЯ ЭФФЛЮЕНТОВ УСТАНОВКИ ПОЛУЧЕНИЯ БИОГАЗА НА ЖИВОТНОВОДЧЕСКИХ КОМПЛЕКСАХ С ПРИМЕНЕНИЕМ ОБРАТНООСМОТИЧЕСКИХ МЕМБРАН
А.Г. Первов1, Н.Ю. Кузнецов2
1 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет» (НИУ МГСУ)
2 Общество с ограниченной ответственностью «УОТЕРЛЭБ»
Аннотация.
Показано, что основной проблемой при утилизации стоков животноводческих комплексов являются сбрасываемые воды (эффлюен-ты) реакторов метанового брожения навозной жижи для получения из нее биогаза. Такие сточные воды содержат 20000 мг/л взвешенных веществ, имеют величину общего солесодержания 1500-2500 мг/л. Значение ХПК составляет 5000-6000 мг/л, а концентрация аммония — 500-600 мг/л. Описана разработанная и экспериментально опробованная новая технология очистки стоков после получения биогаза, состоящая в очистке от взвешенных веществ с применением флокулянтов, обработке их методом обратного осмоса и возврата очищенной воды
Ключевые слова:
стоки животноводческого комплекса; получение биогаза; эф-флюенты реакторов получения биогаза; обезвоживание осадков; флокулянты; обратный осмос; нанофильтрация. История статьи: Дата поступления в редакцию 10.11.21
Дата принятия к печати 15.11.21
в производство.
Концентрат установки обратного осмоса составляет не более 5 % от расхода эффлюента и выводится вместе с обезвоженным осадком удаленных взвешенных веществ. Представлены результаты экспериментов по удалению взвешенных веществ с применением флокулянта «Zetag 8165» (BASF), а также по обработке и концентрированию эффлюента с помощью каскада мембран с различными значениями селективности.
1. Введение.
Стоки животноводческих комплексов представляют серьезную опасность для водных объектов. Основную проблему составляет сложности утилизации стоков, санитарное состояние навозохранилищ и жижесборников. В учебниках описана технология обезвоживания навозных стоков: жидкий навоз, удаляемый из помещений скребковым транспортером и гидросмывом, направляют в жижесборники, откуда насосами или самотеком по лоткам подают в отстойники, где навоз хранится полгода. За это время он разделяется на твердый осадок и осветленную часть, поступающую в бассейны суточного регулирования для смешивания с чистой водой. Эту смесь подают в закрытую оросительную сеть для полива кормовых культур. В настоящее время широко применяют способ разделения стоков на твердую и жидкую фракции с использованием центрифуг. Это ускоряет процесс осветления стоков, уменьшает площади навозохранилищ и затраты на их строительство. Влажность твердой фракции снижается до 65 — 70 %. Центрифуги пропускают до 800 — 1000 куб.м в сутки жидкого навоза. При этом твердая часть превращается в компост и ее вывозят на поля. Навозная жижа с концентрацией 1,8 % перерабатывается в реакторе для получения биогаза. Про-
CD
к
S J
га
m
s ц
¡Е ■
> га
s га
10 о
S §
и ю
s к
J S
0 | со ®
1 8
8 *
й is
^ I
0 га
* Е
S I
m I
{L (U
ш 2
С ц
1 1 < m
ходя через реактор, биомасса превращается в гумус с высоким содержанием органических веществ. При разложении органики в реакторе выделяется биогаз, содержащий метан, двуокись углерода, а также небольшое количество сероводорода. Энергию от сжигания биогаза используют для комбинированного производства энергии и тепла. В том случае из шлама, полученного при очистке стоков, вырабатываются газ и высококачественное органическое удобрение. Схема обработки стоков животноводческих хозяйств показана на рис. 1. (Рис. 1 взят из учебника «Комплексное использование водных ресурсов»[1]).
Рис. 1. Схема утилизации компонентов, содержащихся в стоках животноводческого комплекса: 1 — колодец для навозной жижи; 2 — насос; 3 — биогазовый реактор; 4 — отработанный осадок; 5 — биогаз; 6 — хранилище биогаза; 7 — газовая горелка; 8 — тепловая энергия; 9 — электроустановка;
10 — электроэнергия; 11 — тепловая энергия.
Удивительно, что в известных учебниках и разработках практически ничего не говорится о том, куда девается эффлюент после сбраживания. А ведь в случае, который мы рассматриваем в настоящем отчете, это 60 куб.м сточной воды (жидкой фракции) с концентрацией взвешенных веществ 19000 мг/л и значением ХПК порядка 5000 мг/л.
Результаты определения состава стоков (жидкой фракции) в процессе обработки показаны в таблице.1.
2. Принципы создания технологии очистки.
Сточная вода представляет трудный раствор, имеющий высокие значения ХПК, общего солесодер-жания, аммония. Единственным методом, позволяющим убрать из воды соли и органические вещества, является обратный осмос [2,3]. Проблему в случае применения метода обратного осмоса является образование концентратов и пути их утилизации [4-6].
На протяжении ряда лет авторами проводились исследования по применению метода обратного осмоса для очистки сточных вод от растворенных органических и неорганических загрязнений. Исследованы и разработаны новые технологии очистки сточных вод, фильтратов полигонов ТКО. В основе применения новых технологий лежит очистка методом обратного осмоса в две-три ступени. Утилизация концентрата состоит в глубоком его концентрировании — снижении объема в 20 — 100 раз в зависимости от состава обрабатываемого стока. Обработка концентрата представляет собой серьезную проблему, так как солевые и органические растворы имеют высокое значение осмотического давления, и обработка их требует высоких энергозатрат. Разработанная технология основана на применении низкоселективных нанофильтрационных мембран, что позволяет сократить расход концентрата при низких затратах электроэнергии при давлениях 15 -20 Бар, и довести концентрацию солей в концентрате до 100-150 граммов на литр, что упрощает получение из концентрата сухих веществ. Принципы обработки сточной воды и снижения расхода концентрата показаны на рисунке 2, где представлен баланс солей на примере обработки навозной жижи с расходом 60 куб.м в сутки с указанием значений расходов и величин общего солесодержания сточной воды на всех стадиях обработки. (Таблица 1).
Г) s n ч № Z X
о-
Таблица 1.
№ п/п Показатель Исходная вода После осаждения 1 ступень НФ 2 ступень НФ, концентрат К=20 2 ступень НФ, пермеат 3 ступень пермеат 4 ступень пермеат
Пермеат Концентрат К=3
1 Взвеш. в-ва 19000 2950 - - - - - -
2 ХПК, мг/л - 5860 1947 8593 35036 117 20 1,9
3 Ca, мг экв - - зд 16,8 50 0,2 0,02 0,005
4 Mg, мг экв - - 3,2 15,2 30 0,6 0,02 0,003
5 С1", мг/л - - 710,0 1136,0 6500 383 36 3,5
6 S042-, мг/л - - 90 339 - 463 23 1,0
7 NH4+, мг/л - - 756 763 1235 186 2,1 0,2
8 Электропроводность, mS/см - - 1430 5500 7600 1300 119 7,7
А.Г. ПЕРВОВ, Н.Ю. КУЗНЕЦОВ. Очистка и утилизация эффлюентов установки получения биогаза...
BUILDING ^^ТРОГТ^льств^^^И
Рис. 2. 1 — колодец для навозной жижи; 2 — насос; 3 — сепаратор навоза; 4 — биогазовый реактор;
5 — сгущенный навоз (осадок); 6 — приемный бак сбора навозной жижи после биогазового реактора;
7 — резервуар-отстойник для обработки флокулянтом (2 шт.);
8 — насос подачи отстоянной воды на центрифугу; 9 — центрифуга;
10 — бак сбора осветленной воды; 11 — рабочий насос установки мембранной очистки;
12 — мембранные аппараты.
Эффлюент после биогазового реактора собирается в резервуар-отстойник, в котором производится ее обработка флокулянтом с целью осаждения взвешенных веществ и удаления осадка. Образующийся осадок может удаляться в специальное хранилище, в этом случае надиловая вода для удаления взвешенных веществ проходит дополнительную обработку с использованием центрифуги-декантера (либо вся вода вместе с осадком направляется в декантер), и далее поступает на установку баромембранной обработки. Установка баромембранной обработки разделяет сточную воду на пермеат (очищенную воду, используемую в обороте для гидросмыва и сбрасываемую в водоем), и концентрат, подлежащий утилизации.
Для утилизации концентрата может быть эффективно применен метод его «выведения» вместе с обезвоженным осадком взвешенных веществ в виде его влажности. Принципы выведения концентрата в виде влажности обезвоженного осадка (80 % влажности) показаны на рис. 2. Значение концентрации солей 50 граммов получено на основе расчета материального баланса. В эффлюенте концентрация взвешенных веществ составляет 20 граммов на литр, таким образом, в 60 кубических метрах эффлюента после биогазового реактора находится 1200 кг взвешенных веществ, которые поступают на очистку. Если влажность обезвоженного осадка составляет 83 %, то на 1200 кг сухих веществ в осадке приходится 5880 кг воды, то есть 0,1 общего количества воды, поступающей на очистку. Поскольку величина общего со-лесодержания в эффлюенте составляет 5000 мг/л (5 г/л), то при получении баромембранным методом обессоленной воды расход концентрата должен составлять около 6 куб.м в сутки, а концентрация солей в нем 50 граммов на литр. Для осаждения взвешенных веществ используется обработка флокулянтом и последующее обезвоживание. Установка баромембранной очистки используется для постоянного отвода очищенной воды из бака-отстойника сточной воды и поддержание в баке-отстойнике постоянной концентрации солей (50 г/л), которые выводятся вместе с осадком. Выполняется баланс: сколько солей и взвешенных веществ приходит на установку очистки стока со сточной водой, столько же и выводится с осадком в виде влажности и с очищенной водой.
Экспериментальная программа ставила целью определить:
- возможности осаждения взвешенных веществ с помощью флокулянтов;
- возможность сократить расход концентрата;
- определить производительность мембран и качество очищенной воды.
3. Проведение экспериментов.
3.1. Осаждение взвешенных веществ с применением флокулянтов.
После осаждения взвешенных веществ получен осадок [8,9]. Влажность осадка после выдержки на сетке составляет 82,1%. При обезвоживании осадка на декантере влажность будет заметно снижена, а качество фугата — повышено, но для уточнения необходимо проведение дополнительных экспериментов.
В ходе эксперимента использовался флокулянт Zetag 8165 (производства компании «BASF», Германия). Подбор оптимальной дозы не осуществлялся. Для фл окулирования использовался 0,1 % раствор в количестве 0,65 объемных частей от исходного эффлюента. Осадок отделялся на сите 1 мм. После отделения осадка образовалось 1,43 объемных частей фугата и сфлокулированный осадок — 0,24 кг из 1 литра исходного эффлюента влажность осадка составила около 90%. После естественного уплотнения на сите в течение 12 часов влажность упала до 82,1%. Фугат использовался для проведения эксперимента на мембранных установках.
В дальнейшем были проведены эксперименты по использованию флокулянта TehnoPAM 3020C ^
(см. отчет в приложении). Получен положительный результат при дозе флокулянта 225-250 г сухого реагента на 1 м3. Нами эксперимент был повторен и его результаты подтвердились. Высушенный на воздухе осадок из 1 литра эффлюента имел массу 16,8 г. при первоначальной массе 140 г.
3.2. Эксперименты по обработке эффлюента с применением обратноосмотических мембран.
Эксперименты проводились на лабораторной установке, представленной на рисунке 3.
Q
Рис. 3. Экспериментальная установка для определения параметров работы мембран при разделении эффлюента биогазового реактора: 1 — бак исходной воды; 2 — насос; 3 — мембранный элемент в напорном корпусе; 4 — бак фильтрата; 5 — теплообменник; 6 — манометр; 7, 8, 9 — расходомеры; 10 — кран байпаса; 11 — вентиль регулировки расхода исходной воды; 12 — вентиль регулировки рабочего давления и расхода концентрата; 13 — кран регулировки расхода охлаждающей воды; 14,15 — пробоотборники
к
S J
га m
s ^
s :
н ■ > га
s га
* о
и ю
S (К
CD i
со х
Р
* о
I
О га
~ н
СО СО
8 °
со х
а ш
ш 2
с ч
< m
Рис. 4. Экспериментально полученные зависимости различных показателей от кратности концентрирования К: а — ХПК; б — хлоридов; в — аммония; г — величины удельной электропроводности
Исходная вода помещалась в бак 1 (рис. 3). Из бака 1 насосом 2 исходная вода подавалась в мембранный аппарат 3, в котором разделялась на два потока: пермеат (прошедшую через мембраны воду) и концентрат (поток, в котором остались все задержанные мембранами органические и неорганические загрязнения). Использовались мембранные элемента стандарта 1812 с обратноосмотическими мембранами типа BLN и нанофильтрационными мембранами 70 NE производства компании CSM (Корея). Рабочее давление насоса составляло 0,8 МПа. Пермеат из аппарата 3 направлялся в бак 4, а концентрат возвращался в бак 1. По мере накопления пермеата в баке 4 уровень воды в баке исходной воды падает, и раствор в баке 1 концентрируется. Отношение объема исходной воды в баке 1 в начале эксперимента к объему воды в баке 1 в заданный момент эксперимента называется коэффициентом снижения объема и обозначается буквой К. В экспериментах концентрации различных загрязнений в пермеате и концентрате представлены в виде зависимостей от значения коэффициента снижения объема К.
Результаты определения концентраций различных загрязнений в пермеатах и концентратах мембран показаны в таблице 1. Как видно из табл. 1, нанофильтрационные мембраны эффективно задерживают органические вещества (ХПК). Удаление ХПК на первой ступени позволяет облегчить дальнейшую обработку пермеата первой ступени с применением обратноосмотических мембран [10]. Применение на-нофильтрационных мембран для дожима концентрата позволяет сократить расход концентрата первой ступени в 20 — 30 раз [11, 12].
Обработка экспериментальных данных позволяет определить требуемое количество концентрата, тип мембран, количество ступеней очистки, количество мембранных аппаратов.
4. Обработка экспериментальных данных, обсуждение результатов и определение параметров установки обратного осмоса.
На рис. 5 показана схема обработки стоков и результаты определения требуемых расходов концентрата и пермеата на основе решения уравнения массового баланса для выведения концентрата вместе с обезвоженным осадком, влажность которого составляет 80 %.
Концентрация солей в баке-отстойнике должна составлять: 50 г/л.
Производительность мембранной установки должна составлять: 50 куб.м/сутки.
Мембранная установка должна повысить концентрацию солей с 50 г/л до 75 г/л.
Для определения площади мембран для достижения заданного значения концентрации используется методика расчета мембранных установок для концентрирования высокоминерализованных стоков [12]. Результаты экспериментов с применением нанофильтрационных мембран (на первой и второй ступенях) и обратноосмотических мембран низкого давления (на третьей, четвертой ступенях) представлены на рис. 4.
г
ни О
СО
Рис. 5. Схема установки для очистки эффлюента биогазовой установки с получением очищенной воды и концентрата: 1 — аппарат НФ 1 ступени; 2 — аппарат-концентратор НФ первой ступени; 3 — аппарат обратного осмоса снижения величины общего солесодержания второй ступени; 4 — аппарат обратного осмоса третьей ступени; 5 — аппарат обратного осмоса 4 ступени с высокоселективными мембранами для получения воды, пригодной для сброса в водоём.
к ^
(С И
Ь
* я
ГС о
¡¥ 5
¡3 ю
5 к
д *
О I
18 п Л а о
2 1 (С
х-:
СО X
И Ф
ш 2
С ч
и®
< Л
* *
На рис. 5 представлена примерная балансовая схема баромембранной установки, показывающая расходы и концентрации солей в исходной воде, концентратах и пермеатах каждой ступени, позволяющая получить очищенную воду для повторного использования для технических целей (гидросмыва) и для сброса очищенной воды в водоемы рыбохозяйственного назначения.
Ниже представлены основные технико-экономические показатели разработанной технологии:
Расход эффлюента — 60 м3/сут.
Выход технической воды — 20 м3/сут.
Выход чистой воды — 25 м3/сут.
Выход осадка — около 6000 кг влажностью 80 — 83 %
Потребление электроэнергии — не более 15 кВт.
Химические промывки — 1 раз в месяц, (300 кг химикатов в год — 120 000 руб./год). Габариты установки (ориентировочно) 5,5 х 1 х 1,5 м
Ориентировочная стоимость установки обратного осмоса составляет 3,8 — 4,2 миллионов рублей.
5. Выводы.
1. Использование низконапорных нанофильтрационных мембран с селективностью по солям на уровне 50-70% позволяет сконцентрировать эффлюент в 10-30 раз, при этом величина рабочего давления не превышает 1,2-1,6 МПа.
2. Использование нанофильтрационных мембран позволяет эффективно удалять высокомолекулярные органические соединения.
ЛИТЕРАТУРА:
1. С.В.Яковлев, И.Г. Губий, И.И. Павлинова, В.Н. Родин. Комплексное использование водных ресурсов.: Учебн. пособие/ — М.: Высшая школа., 2005. 384 с.: ил.
2. Maria Salud Camilleri Rumbau, Kelly Briceno, Lene Fijerback Sotoft, Knud Villy Christensen, Maria Cinta Roda-Serrat, Massimiliano Errico and Birgir Norddahl. Treatment of Manure and Digestable Liquid Fractions Using Membranes: Opportunities and Challenges.Review. International Journal of Environmental Research and Public Health, 2021, 18,3107. https://doi.org/10.3390/ijerph18063107.
3. YuanhangZhan, Fubin Yin, Caide Yue, Jun Zhu, ZhipingZhu, Mengyuan Zou and Hohgmin Dong. Effect of Pretreatment on Hydraulic Performance of the Integrated Membrane Process for Concentrating Nutrient in Biogas Digestate from Swine Manure. Membranes, 2020,10, 249. doi:10.3390/membranes10100249
4. Jose Martinez, Partick Dabert, Suzelle Barrington, Colin Burton. Livestock waste treatment systems for environmental quality, food safety and sustainability. Bioresource Technology, 2009, 100,22, 5527-5536. https://doi:10/1016/j. biortech.2009.02.038
5. Sofia Dias, Ana P. Mucha, Rute Duarte Crespo, Pedro Rodrigues and C.Marisa R. Almedia. Livestock Wastewater Treatment in Constructed Wetlands for Agriculture Reuse. Int. J.Environ.Res.Public Health 2020, 17(22), 8592, https:// doi.org/10.3390/ijerph17228592
6. M.Vanotti, M.Szogi, M.P.Bernal, Jose Martinez. Livestock waste treatment systems of the future: a challenge to environmental quality, food safety and sustainability. OECD Workshop. Bioresource Technology, Elsevier,2009, 100(22),p.5371 — p.5373. https://doi:10.101616/j.biortech.2009.07/038. hal-00593209
7. Young-Man Yoon, Yong Sik Ok, Dy Kim, Jeong-Gyu Kim. Agricultural Recycling of the By-Product Concentrate of Livestock Wastewater Treatment Plant Processed with VSEP RO and Bio-Ceramic SBR. Water Science and Technology 49 (5-6):405-12, D0I:10.2166/wst.2004.0781
8. Alexei Pervov, Konstantin Tikhonov, Woiciech Dabrovski. Application of reverse osmosis to treat high ammonia concentrated reject water from sewage sludge digestion. Desalination and water treatment (2018) 19, D0I:10.5004/ dwt.2018.22009,(2018)1-9
9. А.Г. Первов, Д.В. Спицов, Ж.М. Говорова. Разделение высокоминерализованных стоков с применением нанофильтрационных мембран для упрощения их последующей утилизации. Мембраны и мембранные технологии, 2021, том 11, №5,с. 1 -15
10. A.G.Pervov, T.N. Shirkova and V.Tikhonov. Design of reverse osmosis and nanofiltration membrane facilities to treat landfill leachates and increase recoveries. ISSN 2517-7516, Membranes and Membrane Technologies. 2020, Vol.2, № 5, pp. 296309. Pleiades Publishing, Ltd, 2020.
11. А.Ю. Брюханов, Е.В. Шалавина, Э.В. Васильев. Использование технологий глубокой переработки навоза для повышения экологической безопасности природной среды, Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства. Теоретический и научно-практический журнал. ИАЭП. 19 Вып. 98. ISSN 0131-5226
12. Ю. Г. Максимова, А. Ю. Максимов, В. А. Демаков, В. И. Будников. Влияние гидрогелей полиакриламида на микрофлору почвы; Вестник Пермского Университета. Биология. Вып 1(1) 2010 г.
Просьба ссылаться на эту статью следующим образом:
А.Г. Первов, Н.Ю. Кузнецов. Очистка и утилизация эффлюентов установки получения биогаза на животноводческих комплексах с применением обратноосмотических мембран. — Системные технологии. — 2021. — № 41. — С. 5—13.
doi: 10.55287/22275398_2021_4_5
TREATMENT OF LIVESTOCK EFFLUENTS OF THE BIOGASBIOGAS PRODUCTION REACTORS USING REVERSE OSMOSIS MEMBRANE
A.G. Pervov1, N.Yu. Kuznetsov2
1 Moscow State University of Civil Engineering
2 "Waterlab", Ltd.
z
H Û -I H
D CD
Abstract.
The main problem of livestock waste water treatment and utilization is handling of biogas reactor effluents. These liquid wastes contains up to 20000 milligrams per liter of suspended solids and have TDS value 1500-2500 ppm. The COD value of the effluents reach 6000 milligrams per liter and ammonia concentration exceeds 500 ppm. The biogas reactor effluent treatment technique is developed. experimentally tested and described that consists of separation and sedimentation of suspended solids using flocculants followed by treatment with reverse osmosis membranes and product water recycling.
Reverse osmosis concentrate flow does not exceed 5 per cent of the effluent flow and is discharged together with dewatered sludge. Experimental results of sedimentation experiments using "Zetag 8165" (BASF) flocculant are described as well as effluent treatment and concentrating using cascade of reverse osmosis membranes with various rejection is presented and discussed.
Key words:
livestock waste water; biogas production; effluents of the biogas reactor; sludge dewatering; flocculants; reverse osmosis; nanofiltration. Date of receipt in edition: 10.11.21 Date o f acceptance for printing: 15.11.21
T
О
к s J
га
m
s ç
¡E ■
> ra s ra 10 о
ï § и ю
s к s
I
CD?
S* 1 8
s *
* is
О ra
* E S l
m i
CL (U ш 2 С ç
< m
