3579

очистных сооружениях по сути предусматривает устройство мини-ТЭЦ.

Для энергетического использования газ из метантенков направляется в газовые двигатели; при этом одна часть топлива превращается в механическую или электрическую энергию, а другая уносится вместе с охлаждающей водой и выхлопными газами. Расход газа для получения мощности 1 л. с. в 1 ч составляет от 0,3 до 0,6 м3. Если исходить из теплового баланса газового двигателя, то можно считать, что на полезную механическую работу расходуется от 20 до 25 % тепла, вводимого в двигатель, а вместе с потерями на трение – до 32 %. Остальное тепло газа уносится с охлаждающей водой (от 30 до 38 %) и с выхлопными газами (от 38 до 30 %).

От двигателя охлаждающая вода с температурой от 70 до 90 °С может быть направлена по циркуляционной системе в метантенки или в систему водяного отопления и горячего водоснабжения. После охлаждения вода снова возвращается в двигатель. При такой системе почти все тепло охлаждающей воды может быть использовано, за исключением потерь (которые не превышают 10 %) в трубах. Таким образом, от каждого 1 м3 газа с теплотворностью 25 000 кДж можно получить от 6000 до 8000 кДж тепла из системы охлаждения. При использовании выхлопных газов в теплообменнике температура этих газов падает с диапазона от 600 до 700 °С до диапазона от 120 до 160 °С, что составляет от 5000 до 6200 кДж от 1 м3 газа, сжигаемого в двигателе.

При использовании газа метантенков в газовых двигателях для выработки электроэнергии из 1 м3 газа можно получить до диапазона от 1,5 до 2 кВт·ч электрической энергии.

За последние годы используются газовые двигатели, работающие на двойном топливе, смеси газа (от 93 до 98 %) и жидкого топлива (от 2 до 7 %), что позволяет увеличить выработку до 20 %. К тому же такие двигатели имеют большой

130

срок службы, низкие габариты по сравнению с поршневыми двигателями внутреннего сгорания.

Газ как заменитель бензина. Перевод автотранспорта на газообразное топливо приводит к повышению экологичности, что особенно актуально для крупных городов. Газ из метантенков является высококалорийным горючим. Его теплотворная способность равна от 20000 до 27000 кДж/м3, а после удаления углекислоты достигает 33500 кДж/м3. Для транспортабельности газ сжимают под давлением от 200 до 350 атм и хранят в баллонах, установленных на автомашинах. 1,2 м3 газа из метантенков эквивалентны 1 л бензина. При давлении, например, 200 атм в баллон емкостью 50 л вмещается до 10 м3 газа.

Получение сухого льда из углекислоты, содержащей-

ся в газе метантенков. Газ из метантенков состоит главным образом из метана СН4 (около 70 %) и углекислоты СО2 (около 30 %). Сухой лед, хотя он и значительно дороже обычного, имеет существенные преимущества. При равной холодопроизводительности он занимает объем, примерно в 5 раз меньший, чем речной лед, удобен при перевозке и хранении продуктов, не выделяет воды.

Существующие заводы сухого льда обычно в качестве сырья для продукции употребляют антрацит, который при сгорании выделяет углекислоту. На очистных станциях себестоимость сухого льда из углекислоты, полученной от газа метана, будет в несколько раз (от 1,7 до 2) дешевле продукции, производимой углекислотными заводами, работающими на антраците.

Перспективы химического использования газа. На рис. 62 показаны многие ценные продукты, которые могут быть получены на базе природного газа. Ниже кратко излагаются методы получения некоторых химических продуктов в зависимости от того или иного способа обработки метана.

131

Сжигание. При неполном сжигании метана остается от 3 до 7% высококачественной сажи, которая применяется как красящее вещество и сырье для резиновой промышленности.

Электротермическая обработка. При ионизации газа с помощью тока высокого напряжения и большой частоты образуется ацетилен в соотношении 1 м3 чистого метана – 340 л ацетилена. Ацетилен нашел широкое применение в химической промышленности как сырье для получения уксусной кислоты, негорючих растворителей (трихлорэтилен), даже синтетического каучука (хлоропрен, дюпрен).

Окисление. При пропускании смеси метана с воздухом через нагретые до 500 °С трубки с катализатором образуется формальдегид, который в дальнейшем может быть использован для получения ацетона, пластмасс, бакелита, карболита. При окислении метана получают и метиловый спирт, применяемый в промышленности.

Хлорирование. Применяют для получения синтетических красителей, фармацевтике. При температуре от 200 до 400 °С происходит химическая реакция с хлором с образованием хлористого метана, метилена, хлороформа или четыреххлористого углерода. Выход того или иного вещества зависит от соотношения компонентов.

Следует подчеркнуть значение четыреххлористого углерода ССl4 как исключительно сильного средства для тушения пожаров. Этот продукт может быть также использован и в резиновой промышленности как растворитель. Является вполне рентабельным получение четыреххлористого углерода из газа метантенков на крупных очистных станциях.

132

Рис. 62. Продукты химической переработки метана

133

Конверсия. Процесс конверсии предполагает распад метана на составляющие при высоких температурах. Так, при температуре от 1000 до 1100 °С из одного объема метана получают 2 объема водорода. При наличии катализатора, дополнительно выделяется и углерод. Дальнейшее смешивание компонент при определенных условиях может привести к образованию метилового или этилового спирта, а также компонентов для получения лаков и красок, растворителей, синтетического каучука. Газ, используемый для резки и сварки металлов путем конверсии метана, имеет себестоимость более низкую по сравнению с ацетиленом.

Термическая обработка. Этим способом можно получить жидкое топливо в виде бензола и других химических продуктов. Однако он менее выгоде по сравнению с электротермической обработкой. Одним из побочных продуктов термической обработки является углекислота, которую целесообразно использовать для получения сухого льда.

Рис. 63. Станция метантенков Австрия

134

тантенки и других сбраживаемых органических веществ после их дробления (отбросов с решеток, домового мусора, промышленных отбросов органического происхождения и т. п.).

Процессы брожения осадка в метантенках в основном аналогичны таким же процессам в двухъярусных отстойниках, но в результате искусственного повышения температуры и перемешивания распад сложных органических веществ идет значительно быстрее. Определяющим для брожения является наличие щелочной среды. Нормальные условия для брожения создаются в щелочной среде. При минерализации органических веществ осадка и ила в процессе брожения наблюдается выделение продуктов распада в газ и в воду.

В зависимости от температуры сбраживания различают мезофильный режим (при температуре 33 °С) и термофильный (при температуре 53 °С). Режим выбирают на основании технико-экономических расчетов с учетом методов последующей обработки и утилизации осадков и санитарных требований. Количество образующихся газов (метана и угольной кислоты) зависит от количества и состава осадка, а интенсивность их выделения – от температуры брожения и режима загрузки метантенка свежими порциями осадка. Исследования показали, что в метантенках степень распада органического вещества составляет в среднем 40 %. Наибольшему распаду подвергаются жироподобные вещества и углеводы. При сбраживании выделяются газы: метан – примерно от 63 до 64% и угольная кислота от 32 до 33%.

Ход распада органических веществ зависит в основном от дозы загрузки по объему и продолжительности сбраживания. Доза загрузки – один из важнейших технологических параметров, определяющих степень распада органических веществ в метантенке. Она выражается в процентах и показывает, какую часть объема метантенков составляет суточный объем загружаемого осадка.

136

Продолжительность сбраживания, сутки, является обратной величиной дозы загрузки. Так, при дозе загрузки 8 % продолжительность сбраживания составляет 13,5 суток.

По конструктивным признакам метантенки бывают с неподвижным незатопленным и подвижным перекрытием.

Рис. 65. Метантенк станции аэрации: 1–мягкая кровля; 2–кирпич; 3 –шлак; 4 –смотровой люк; 5 –труба для выпуска

газа в атмосферу; 6 –газопровод для газового колпака; 7 –газовые колпаки; 8 –пропеллерная мешалка;

9 –переливная труба; 10 –трубопровод для загрузки сырого осадка и активного ила; 11 –трубопроводы для удаления иловой воды и выгрузки сброженного осадка с разных горизонтов; 12 –паровой инжектор для подогрева метантенков; 13–трубопровод для выгрузки сброженного осадка

из конусной части метантенка; 14 –термометр сопротивления; 15–трубопровод для опорожнения метантенка (в футляре)

137

Наибольшее распространение в отечественной практике получили метантенки с неподвижным незатопленным перекрытием. На рис. 65 представлена конструкция метантенка станции аэрации: диаметр 24 м, общая глубина 19,6 м и полезный объем 5200 м3, перекрытие полусферическое, диаметр горловины 4 м, ее высота 2,5 м. Газо- и теплоизоляция бетонного перекрытия метантенков выполнены из четырех-пяти слоев перхлорвиниловой массы, уложенной по бетону и покрытой цементной стяжкой. Затем уложен слой шлака толщиной 50 см, также покрытый цементной стяжкой, а сверху – трехслойной рулонной кровлей. В этих метантенках осадок перемешивают мешалками либо гидроэлеватором, а подогревают острым паром.

Газ, образующийся в метантенке, можно использовать в качестве топлива в котельных установках. При неполном использовании выделяющегося газа давление его в метантенке увеличивается, что может вызвать прорыв водяного затвора, находящегося в газовом колпаке. Гораздо опаснее обратное явление, т.е. образование вакуума внутри метантенка и засасывание в газовое пространство воздуха, который в смеси с газом может образовать горючую взрывоопасную смесь. Давление газа регулируют с помощью мокрого газгольдера, который поддерживает в газовой линии и внутри метантенка давление 0,2 м вод. ст.

Наиболее рациональной является эксплуатация метантенков по прямоточной схеме, при которой загрузка и выгрузка осадка происходят одновременно и непрерывно. Такой режим создает благоприятные температурные условия в метантенке, так как исключается охлаждение бродящей массы от залповых поступлений более холодного сырого осадка и ила, и обеспечивает равномерное газовыделение в течение суток. Осадок подается через дозирующую камеру в верхнюю зону метантенка и выгружается из конусной части днища.

138

За рубежом получила распространение двухступенчатая обработка осадка в метантенках: первая ступень выполняется в виде закрытых подогреваемых метантенков, вторая ступень часто представляет собой открытые неподогреваемые метантенки. На второй ступени осадки не сбраживаются, а уплотняются, и твердая часть отделяется от иловой воды. Сбраживание в двухступенчатых метантенках не имеет преимущества в степени распада беззольного вещества по сравнению с одноступенчатыми метантенками равного объема, но позволяет примерно вдвое уменьшить объем осадка за счет удаления иловой воды. Двухступенчатое сбраживание обеспечивает более устойчивый процесс в условиях неравномерного притока сточных вод на станцию.

Двухступенчатые метантенки рекомендуется проектировать для районов со среднегодовой температурой воздуха не ниже 6 °С и при ограниченности территории для размещения иловых площадок. Метантенки первой ступени рассчитывают как метантенки, работающие в мезофильных условиях, а второй ступени — по суточной дозе загрузки 4%. Последние должны оборудоваться механизмами для сгребания образующейся корки.

Метантенки второй ступени представляют собой земляные резервуары, облицованные бетоном или камнем. Глубина резервуаров при небольших их размерах от 3 до 5, при больших – от 5 до 12 м. Осадок подается рассредоточений на половину глубины, а выпуск уплотненного осадка производится с нескольких уровней и со дна. Влажность выгружаемого осадка от 92 до 94 %.

Как уже указывалось, осадок в метантенках подогревается различными способами. В отечественной практике наибольшее распространение получил способ подогрева острым паром. Пар низкого давления с температурой от 100 до 110 °С подается во всасывающую трубу насоса, который перекачивает осадок в метантенк, или пар подается в

139