2. Сбраживание осадка

Осадки, имеющие в своем составе значительные количества огранических веществ, подвержены загниванию. Этот процесс сопровождается выделением зловонных запахов, образованием коллоидных и мелкодисперсных частиц, что не приятно не только с эстетической точки зрения, но и приводит к ухудшению влагоотдающих свойств таких суспензий.

Для избежания нежелательных последствий осадки подвергают стабилизации, т.е. предотвращению загнивания, основанному на изменении их физико-химических свойств, сопровождающемуся подавлением жизнедеятельности гнилостным бактерий (микроорганизмов кислотного брожения).

Стабилизация может достигаться различными методами, наиболее часто используемыми из них, являются анаэробное и аэробное сбраживания осадков, реализуемые, соответственно, в метантенках и аэробных стабилизаторах (сбраживателях).

Выбор процесса сбраживания следует осуществлять в зависимости от дальнейшей обработки осадков с учетом возможной их утилизации на основе технио-экономических расчетов. Предварительно определится можно используя обобщенные эксплутационные данные:

• при производительности очистных сооружений до 50000 м³/сут – экономически выгодно аэробное сбраживание;

• при производительности очистных сооружений от 50000 до 100000 м³/сут - аэробное и анаэробное сбраживания экономически равноценны;

• при производительности очистных сооружений свыше 100000 м³/сут - экономически целесообразно анаэробное сбраживание.

2.1. Метантенки

Метантенки применяют для анаэробного сбраживания осадков городских сточных вод с целью их стабилизации и получения метансодержащего газа бражения в зависимости от состава осадка, наличия в нем веществ, тормозящих процесс сбраживания и влияющих на выход газа. Совместно с указанными осадками допускается подача в рассматриваемые сооружения и других сбраживаемых органических отходов после измельчения (например: домового мусора, отбросов с решеток, производственных органических отходов и т.д.)

Процесс анаэробного сбраживания в метантенках может осуществляться в двух температурных режимах:

• мезофильном (при температуре 33⁰С);

• термофильном (при температуре 53⁰С).

Выбор режима сбраживания осуществляется исходя из методов последующей обработки осадков и их возможной утилизации, а так же санитарных требований. При этом следует учесть, что суточная доза загружаемого в метантенк осадка при термофильном режиме сбраживания всегда выше, чем при мезофильном. Окончательно определить режим сбраживания можно только путем технико-экологического сравнения вариантов.

Для поддержания принятого температурного режима в метантенке необходимо предусматривать:

• загрузку осадка в метантенки, как правило, равномерную в течении суток;

• обогрев метантенков острым паром, выпускаемым через устройства, либо подогрев подаваемого в метантенк осадка в теплообменных аппаратах.

Необходимую вместимость, т.е. суммарный рабочий объем метантенков, определяют в зависимости от фактической влажности осадка, поступающего в эти сооружения, по суточной дозе загрузки по формуле, м³:

, (114)

где: Q – суточный расход сбраживаемого осадка, м³/сут;

Д – суточная доза загружаемого в метантенк осадка, %, принимаемая: для осадков городских сточных вод – по табл.6, а для осадков производственных сточных вод – по эксперементальным данным.

При наличии в сточных водах ПАВ величину суточной дозы загрузки, Д, необходимо проверить по выражению

, (115)

при чем: Д_пав – предельно допустимая загрузка рабочего объема метантенка по ПАВ в сутки, г/м³, принимаемая по табл.7;

С_пав – содержание ПАВ в осадке, мг/г сухого вещества осадка, определяемое по эксперементальным данным или в случае их отсутствия по табл.8.

W – влажность загружаемого в метантенк осадка, %.

Примечание: Если значение суточной дозы загрузки осадка в метантенк, полученное по выражению (115), меньше указанного в табл.6 для данной влажности осадка, то рабочий объем метантенков следует определять по этому значению дозы загрузки, а если ровно или больше – по значению приведенному в табл. 6.

Таблица 6

Значения суточной дозы загрузки осадка в метантенк

Режим сбраживания	Суточна доза загрузки осадка в метантенк Д, %, при влажности загружаемого осадка W, %
	93	94	95	96	97
Мезофильный	7	8	8	9	10
Термофильный	14	16	17	18	19

Таблица 7

Значения предельно допустимой загрузки рабочего объема метантенка по ПАВ

Вид ПАВ	Предельно допустимая загрузка Дпав, г/м3
Алкилбензолсульфанаты с прямой алкильной целью	40
"Мягкие" и промежуточные анионные ПАВ	85
Анионные ПАВ в бытовых сточных водах	65

Таблица 8

Содержание ПАВ в осадке

Исходная концентрация ПАВ в сточной воде, мг/л	Содержание ПАВ в осадке, мг/г сухого вещества осадка
	Осадок из первичных отстойников	Избыточный активный ил
5	5	5
10	9	5
15	13	7
20	17	7
25	20	12
30	24	12

При поступлении в метантенк смеси осадков из первичных отстойников и избыточного активного ила влажность сбраживаемого осадка и содержание в нем ПАВ следует определять по формуле "смешения", т.е.

, (116)

,(117)

здесь: Q_о и Q_u – расходы, соответственно, осадков из првичных отстойников и избыточного активного ила, м³/сут;

W_о и W_u – влажности, соответственно, осадков из первичных отстойников и избыточного активного ила, %;

C^о_пав и С^и_пав – содержание ПАВ в сухом веществе, соответственно, осадков из первичных отстойников и избыточного активного ила, мг/г, принятые по экспериментальным данным или по табл. 8.

Чило рабочих метантенков должно быть не менее двух и рассчитывается исходя из рабочего объема одного сооружения:

, (118)

где, V₁ – рабочий объем одного метантенка, м³.

Примечание: Для определения рабочего объема метантенка можно воспользоваться данными по типовым конструкциям (рис.9 и 10), разработанным ведущими проектно-конструкторскими институтами и фирмами.

Рис. 9. Железобетонный метантенк конструкции института "Гипрокоммунводоканал" (Полезный (рабочий) объем – 2100 м³)

Рис. 10. Конструкции метантенков, применяемых на очистных сооружениях ряда городов Западной Европы (по данным фирмы "Альфа-Лаваль", Швеция)

а –Баден-Баден (V₁= 1250 м³); б – Висбаден (V₁= 3000 м³); в – Вупперталь (V₁= 6100 м³); г – Штутгарт (V₁= 7500 м³); д – Дюссельдорф (V₁= 8000 м³); е – Нюрнберг (V₁= 10800 м³).

Общее число метантенков принимается с учетом резервных сооружений, производительность которых составляет не менее 50% производительности рабочих.

Суммарный выход газа от сбраживания осадка, м³/сут,

, (119)

здесь: у - удельный выход газа, м³/кг беззольного вещества сбраживаемого осадка;

М_без – количество беззольного вещества в сбраживаемом осадке, т/сут.

Удельный выход газа, м³/кг, получаемый при сбраживании зависит от степени распада беззольного вещества осадка, загруженного в метантенк. Так как, рекомендуется принимать, что 1 г газа выделятся при разложении 1 г беззольного вещества осадка, а его удельный вес составляет 1 кг/м³, то искомую величину у` можно определить по формуле:

, (120)

где: a – предел сбраживания беззольного вещества загруженного в метантенк осадка, %;

k – коэффициент, зависящий от влажности сбраживаемого осадка и режима сбраживания, (табл. 9);

Д – принятая суточная доза загрузки осадка, в соответствии с примечанием на стр. 56.

Таблица 9

Значения коэффициента k в зависимости от влажности сбраживаемого осадка

Режим сбраживания	Значение коэффициента k при влажности сбраживаемого осадка W, %
	93	94	95	96	97
Мезофильный	1,05	0,89	0,72	0,56	0,40
Термофильный	0,445	0,385	0,31	0,24	0,17

Предел сбраживания беззольного вещества осадка a, %, зависит от химического состава этого вещества и определяется по формуле:

,(121)

при чем, С_ж, С_у и С_б – соответсвенно содержание жиров, углеводов и белков, г на 1 г беззольного вещества осадка.

Примечание. Если отсутствуют данные о химическом составе беззольного вещества сбраживаемого осадка, допускается принимать предел сбраживания а для осадков из первичных отстойников – 53 %, для избыточного активного ила – 44 %.

При сбраживании смеси осадков из первичных отстойников и избыточного активного ила предел сбраживания беззольного вещества такой смеси будет равен

, (122)

здесь, a_о и a_u – соответственно предел сбраживания беззольного вещества осадка из первичных отстойников и избыточного активного ила, %;

Q^б_о и Q^б_u – соответственно расходы осадка из первичных отстойников и избыточного активного ила по беззольному веществу, т/сут.

Расход осадка из первичных отстойников по беззольному веществу, т/сут,

,(123)

где: Q^с_о - расход осадка из первичных отстойников по сухому веществу, т/сут;

W^o_r - гигроскопическая влажность осадка из первичных отстойников, W_r = 3…10 %;

З_о – зольность осадка из первичных отстойников, З_о = 25…35%;

Расход осадка из первичных отстойников по сухому веществу, т/сут,

, (124)

где: С – концентрация взвешенных веществ в сточной воде, поступающей в первичные отстойники, мг/л;

Э – эффективность задержания взвешенных веществ (степень очистки по взвешенным веществам) в первичных отстойниках, единицы;

k_вв – коэффициент, учитывающий увеличение объема осадка за счет крупных фракций взвешенных веществ, не учитываемых при отборе проб воды на анализ, k_вв=1,1…1,2.

Q_св – расходсточных вод, м³/сут.

Расход избыточного активного ила по беззольному веществу, т/сут,

,(125)

здесь: Q^c_u – расход избыточного активного ила по сухому веществу, т/сут;

W^u_r – гигроскопическая влажность избыточного активного ила, W^u_r = 5…15%;

З_u – зольность активного ила, З_u = 12…35 % (принимается в зависимости от типа аэротенка и режима его работы).

Расход избыточного активного ила по сухому веществу, т/сут,

, (126)

при чем: L _о– величина БПК_полн.поступающих в аэротенк сточных вод, мг/л;

b– вынос взвешенных веществ из вторичных (третичных и т.д.) отстойников, принимается в зависимости от типа аэротенка и режима его работы, мг/л.

Количество беззольного вещества в сбраживаемом осадке, т/сут,

. (127)

Диаметр трубопровода для отвода газа от метантенков, м,

, (128)

где, v_Г – скорость движения газа в трубопроводе, равная: для трубопроводов больших диаметров – 10…15 м/с; для трубопроводов малых диаметров – 4…5 м/с.

Диаметр трубопровода отвода газа от одного метантенка, м,

. (129)

Диаметры трубопроводов подачи сбраживаемого осадка к метантенкам и к одному метантенку определяются с использованием, соответственно, формул (28) и (27); диаметры трубопроводов отводящих сброженный осадок на дальнейшую обработку от метантенков и одного метантенка – формул (37) и (21).

Загрузка осадка в метантенк осуществляется в верхнюю зону рабочей части сооружения, а выгрузка – из нижней зоны.

Отбор воды выделившейся в процессе сбраживания осадка производится на разных уровнях по высоте сооружения. Диаметры трубопроводов для отвода этой воды от метантенка и подачи ее на очистные сооружения можно рассчитать соответственно по формулам (29) и (30), учитывая выражение (10), приняв при этом: W₁ равной влажности сбраживаемого осадка, а W₂ – сброженного осадка. Влажность сброженного осадка из первичных отстойников составляет 92 %, избыточного активного ила – 94 %, а их смеси вычисляется по формуле (116).