CC BY
222
УДК 66.098.4
О. Г. Чудакова, Д. В. Бескровный
МЕТАНТЕНК КАК АППАРАТ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ТОПЛИВА ИЗ ПРОМЫШЛЕННЫХ ОТХОДОВ
Ключевые слова: технология, химическая технология, сточные воды, органические вещества, органические компоненты, углеводороды, белки, жиры, пищевая промышленность, автотранспорт, нефтедобывающая отрасль, очистка воды, ме-
тантенк, биогаз, биометан.
В работе рассмотрен процесс получения нового вида топлива - биометана. Приводится ретросинтетический анализ получения метана с помощью метаногенеза. Основываясь на обзоре технологических схем очистки промстоков, предлагается модернизированная схема очистных сооружений с органическими остатками в стоках от различной производственной деятельности. Предложена новая конструкция термофильных ме-тантенков, основываясь на литературном обзоре патентных данных. Представлен расчет метантенков для утилизации осадков пищевых производств.
Key words: sewage, organic substances, organic components, hydrocarbons, proteins, fats, food industry, motor transport.
The process of receiving a new type of fuel - biomethane are considered. The retrosynthetic analysis of methane obtaining by methanogenesis is presented. The new design of thermophilic digester, based on literary review ofpatent data is offered. Calculation of digester for utilization of sedimentations of food productions is presented.
Введение
Биохимическая технология — один из эффективных методов обезвреживания в сточных водах загрязняющих компонентов и дальнейшие их преобразования в зависимости от различных факторов [1-5]. Очистные сооружения с высокоразвитой индустрией городов не справляются с поставленной задачей [6]. В связи с этим предложены альтернативные способы нейтрализации и обезвреживания стоков с использованием биофильтров, метантенков и других аппаратов [7-10]. С другой стороны также все большей популярностью пользуются альтернативные виды топлив, одним из которых является биометан, имеющий в своем составе до 87% чистого метана [11]. «Биометан» или иногда встречается его другое название «биогаз» образуется в результате безкислородного сбраживания - анаэробных условиях. Необходимо отметить, что наряду с метаном образуются и другие газы такие как оксид углерода (II), оксид углерода (IV), сероводород, небольшие примеси водорода, азота и аммиака [12-13]. Учитывая оба фактора можно провести модернизацию очистных сооружений с использованием ресурсосберегающей биохимической технологией очистки сточных вод различных предприятий.
Обсуждение результатов
Проведенный ретросинтетический анализ (рис. 1) показывает, что исходя от желаемого энергоресурса метана можно провести генетические связи для исходных веществ его получения [14,15]. Как видно из ретросинтетического анализа через все стадии приходим к органическим веществам или органическим остаткам, таким как протеины, белки, углеводы, липиды. К стокам такого состава можно отнести воды от автомоек, транспорта, бензоколонок, пищевой промышленности, пивоваренной, сельскохозяйственной отрасли, нефтедобывающих и перерабатывающих предприятий, а также производства органических материалов.
Химизм превращения органических соединений в биометан протекает через несколько стадий, что
может происходить в реакторе анаэробного типа метантенке в определенных условиях, однако не соблюдение условий приводит к нарушению всего процесса. Разработка аппаратов для очистных сооружений должна быть направлена на преобладающие вещества в сточных водах [4,12]. В зависимости от состава сточных вод и преобладающих в них органических остатков меняется процентный состав биометана в реакторе [13].
Рис. 1 - Ретросинтетический анализ получения биометана
Предполагаемая схема очистки сточных вод заводов и коммунальных стоков представлена на рис. 2. Сточная вода поступает на решетки 1, где удаляется мусор и крупные механические включения. Усреднитель 2 обеспечивает накопление и усреднение стока, предварительное биологическое зачисление органических веществ, что способствует более эффективной дальнейшей обработке. Далее в пер-
вичном отстойнике 3 происходит отделение легко осаждаемых взвесей и зооглейных бактерий. В аэро-тенке 6 сточная вода непрерывно перемешивается и аэрируется до насыщения кислородом воздуха. После чего вода поступает на вторичный осветлитель 7. Очищенная вода из осветлителя самотеком поступает на дизинфекцию от бактерий 8. Активный ил после вторичного осветлителя 7 поступает на илоуплотнитель 9.
Ключевым этапом биологической очитки являются метантенки 12 (анаэробные реакторы), где происходит обезвоживание осадков. Осадки после усреднителя 2, радиального отстойника 5 и вторичного осветлителя 7 поступают на горизонтальную центрифугу 10, где происходит разделение неоднородных систем. После чего суспензия поступает на гидроэлеваторы 11 и благодаря напору осадок поступает в метантенки 12. Осадок после деструкции отводится из метантенка на иловые площадки 13. После сушки осадок утилизируется. Биогаз, образующийся в процессе сбраживания осадка, собирается в верхней части метантенка, откуда с помощью газопровода отводиться в газгольдер 14, и далее может использоваться вторично, например, поступать в котельную или мини ТЭЦ.
Рис. 2 - Блок - схема очистки сточных вод: 1 -решётки; 2 - усреднитель; 3 - бак с HCl; 4 - бак с NaOH; 5 - радиальный отстойник; 6 - аэротенк; 7 - вторичный осветлитель; 8 - хлорирование; 9 - илоуплотнитель; 10 - горизонтальная центрифуга; 11 - гидроэлеваторы; 12 - метантенки; 13 -иловые площадки; 14 - газгольдер
Литературный обзор [8, 9] показал, что промышленные метантенки имеют недостаток в том, что осадок около стенок, в верхней и нижней его частях неполностью подвергается деструкции. В настоящее время активно ведется обсуждение о внедрении в конструкцию метантенков мешалок. Нами предложена съемная крышка, с размещением внутри корпуса лопастных мешалок (рис. 3). Конструкция разработана с учетом тяжелого органического остатка после пищевых производств. Дополнительно предусмотрено устройство для обезвоживания осадка от пищевого производства перед поступлением его в метантенк. Модернизация конструкции метантенка подрузумевает кроме установки мешалки оставить рециркуляцию для увеличения скорости процесса деструкции [9,16].
Схема устройства модернизированного метантенка для деструкции осадка сточных вод производства с органическими остатками представлена на рис. 3. Внутренний объем метантенка представляет собой герметичный железобетонный резервуар 4, в
который через приемный трубопровод 5 поступает на переработку сырой осадок, а через трубопровод 6 подводится водяной пар для подогрева осадка и дальнейшего сбраживания. Для интенсификации процесса сбраживания содержимое метантенка постоянно перемешивается лопастной мешалкой с помощью двигателя 1 и редуктора 2 для обеспечения циркуляции осадка и иловой воды. Сброженный осадок отводиться из метантенка через трубопровод 8 с помощью насоса 7. Осадок, переработанный в метантенке, безопасен в санитарном отношении, его подсушивают на иловых площадках и дробят. Далее он может использоваться в качестве удобрения для рекультивации почв, либо отправляться на депонирование.
Горючий газ метан, образующийся в процессе сбраживания осадка, собирается в верхней части метантенка, откуда с помощью газопровода 9 отводиться в газгольдер 10, который можно заменить на любой аппарат очистки и разделения газовой смеси, и далее газ может поступать в котельную или мини ТЭЦ.
Рис. 3 - Схема устройства модернизированного метантенка: 1 - двигатель; 2 - редуктор; 3 -крышка; 4 - железобетонный корпус; 5 - трубопровод для подачи осадка; 6 - трубопровод для подачи пара; 7 - насос; 8 - трубопровод для отвода осадка; 9 - газопровод для отвода биогаза; 10 -газгольдер
Для расчета метантенка очистных сооружений необходимо знать количество органического остатка и приблизительный его состав для выбора режима аппарата. Учитывая специфику сточных вод с большим содержанием органических субстратов [16], режим сбраживания — термофильный, а концентрация взвешенных веществ в воде С поступающей на первичные отстойники приблизительно равна 12,46 г/л. Основные параметры процесса имеют следующие данные:
Пределы распада органического осадка х0=53%, пределы распада ила хип =44%о.
r _ (Г X Обез + Гил X Ибез) _ (53 X 0.003 + 44 х 0.204) = 44(%)
Мб,
0.207
Выход биометана из загруженного беззольного вещества, таких как зооглейные бактерии и различной природы коллоиды будут рассчитываться (м3/кг)
Г=(гхп^)/100=(44*0,56х9,1)/100=0,39 (м3/кг)
Суммарный выход биогаза (м3/кг) Го6щ=ГхМбезх1000=0,39х0,207х1000= 80,73 (м3/кг)
Расчетные данные показывают, что на очистных сооружениях необходим метантенк. Полученный биометан можно использовать в качестве топлива. Соответственно, ликвидируется загрязнение атмосферы, что исключает влияние биогаза на парниковый эффект.
Заключение
Таким образом необходимо проводить модернизацию устаревших очистных сооружений. Предлагается технологическая схема модернизированных очистных сооружений с термофильными метантен-ками. Проведены расчеты, которые обосновывают их необходимость не только с экологической точки зрения для утилизации отходов, но и с природоре-сурсосберегающей — получение сырья и переработка его в топливо. Модернизация метантенка заключается в размещениии внутри корпуса лопастных мешалок, которые способствуют перемешиванию тяжелого органического остатка.
Литература
1. Лозовецкий В.В., Лебедев В.В., Дугин Г.С. Обеспечение экологической безопасности полигонов для захоронения отходов на базе систем утилизации биогаза// Проблемы окружающей среды и природных ресурсов. -2011. - № 2. - С. 94-105.
2. Гоголь Э.В., Мингазетдинов И.Х., Гумерова Г.И., Егорова О.С., Мальцева С.А., Григорьева И.Г., Тунакова Ю.А. Анализ существующих способов утилизации и переработки отходов полимеров// Вестник Казан. технол. ун-та. - 2013. - Т. 16. - № 10. - С. 163-168.
3. Найман С.М., Тунакова Ю.А. Возможность применения биогазовых технологий для переработки органических отходов в Татарстане. Производство биогаза и энергии. -Вестник Казан. технол. ун-та. - 2013. - Т. 16. - № 19. -С. 227-234.
4. Павлов К.В., Гавриш В.И., Ниценко В.С. Биогазовые комплексы: экономическая целесообразность использования в различных регионах и странах мира/ Региональная экономика: теория и практика. - 2015. - № 28 (403). - С. 2-14.
5. Ручай Н.С., Кузнецов И.Н., Шкодов Т.В. Технология переработки осадков городских сточных вод с получением биогаза// Биотехнология. - 2014. - № 6. - С. 52-59.
6. Кирсанов В.В., Чудакова О.Г. О систематизации профилактической работы по повышению эффективности производственных систем опасных объектов.// В сборнике: Поиск эффективных решений в процессе создания и реализации научных разработок в российской авиационной и ракетно-космической промышленно-
сти Международная научно-практическая конференци. -2014. - С. 599-601.
7. Дресвянников А.Ф., Желовицкая А.В. Очистка сточных вод от ароматических соединений непрямым окислением в коаксиальном бездиафрагменном электрохимическом реакторе// Вестник Казан. технол. ун-та. - 2012. -Т. 15. - № 23. - С. 74-77.
8. Рахматуллин Э.Э., Чудакова О.Г. Новое решение очистки сточных вод от трудноокисляемых загрязнителей.// В сборнике: Международная молодежная научная конференция «XXII Туполевские Чтения (школа молодых ученых)» Материалы конференции. Министерство образования и науки Российской Федерации, Российский фонд фундаментальных исследований, Казанский национальный исследовательский технический университет им. АН. Туполева-КАИ (КНИТУ-КАИ). - 2015. - С. 163-164.
9. Чудакова О.Г., Гаязова З.И. Эксплуатация метантенков в утилизации остатков от пивоваренных компаний// В сборнике: Поиск эффективных решений в процессе создания и реализации научных разработок в российской авиационной и ракетно-космической промышленности Международная научно-практическая конференци. -2014. - С. 464-466.
10. Valeeva F.G., Zakharov A.V., Voronin M.A., Zakharova L.Ya., Kudryavtseva L.A., Isaikina O.G., Kalinin A.A., Mamedov V.A. Catalytic effect of supramolecular system based on cationic surfactant and monopodands in nucleophilic substitution of phosphorus esters.// Russian Chemical Bulletin. - 2004. - Т. 53. - № 7. - С. 1563-1571.
11. Найман С.М., Тунакова Ю.А.Экологические и экономические аспекты применения биогазовых технологий для переработки органических отходов// Вестник Казан. технол. ун-та. - 2013. - Т. 16. - C № 17. - С. 191-196.
12. Оболенский Н.В., Мартьянычев А.В., Вандышева М.С. Способ получения биогаза и удобрения// Карельский научный журнал. - 2015. - № 1 (10). - С. 157-159.
13. Кузнецов В.Н., Панов В.П. Проблемы автоматизированного получения высокопроцентного выхода биогаза и стабилизации осадка в метантенках// Известия Юго-Западного госуд. ун-та. Серия: Управление, вычислительная техника, информатика. Медицинское приборостроение. - 2014. - № 1. - С. 48-55.
14. Цавкелова Е.А., Нетрусов А.И. Получение биогаза из целлюлозосодержащих субстратов (обзор)// Прикладная биохимия и микробиология. - 2012. - Т. 48. - № 5. - С. 469.
15. Mamedov, V.A., Kalinin, A.A.,Gubaidullin, A.T., Isaikina, O.G.,Litvinov, I.A. Synthesis and functionalization of 3-ethylquinoxalin-2(1H)-one.// Russian Journal of Organic Chemistry. - 2005. -41 (4). - pp. 599606.
16. Чудакова О.Г., Бескровный Д.В. Анализ и оценка сточных вод пивоваренного прозводства.// Вестник технологического университета. - 2015. - Т. 18. - № 16. -С. 293-295.
© О. Г. Чудакова - к.х.н., доц. каф. общей химии и экологии КНИТУ им. А.Н. Туполева - КАИ, oksinijshka@mail.ru; Д. В. Бескровный - к.х.н., доц. каф. технологии синтетического каучука КНИТУ.
© O. G. Chudakova - Ph.D., Associate Professor of "General Chemistry and Ecology" KNRTU AN Tupolev - KAI, oksinijshka@mail.ru; D. V. Beskrovnyi - Ph.D., Associate Professor, Dept. of Technology of synthetic rubber, KNRTU, dmitrii_54m1 @mail.ru.
