Основы природоохранных биотехнологий. Практикум. Учебное пособие

51

5151

3. ОБРАЩЕНИЕ С ОТХОДАМИ

Практическая работа № 5.

ПОЛУЧЕНИЕ ГЕНЕРАТОРНОГО ГАЗА МЕТОДОМ БИОМЕТАНОГЕНЕЗА

Цель работы – изучение метода биометаногенеза на основе процессов анаэробного сбраживания осадков сточных вод в метантенках и получение навыков расчета технологических параметров.

Теоретические сведения

Для получения генераторного газа используют многостадийный процесс метанового брожения (биометаногенез). Биометаногенез протекает в метантенках в двухстадийном режиме, сопровождающийся возвратом частично прореагировавшего илового осадка сточных вод на первую стадию. Для повышения эффективности сбраживания осадка на первой стадии его необходимо тщательно перемешивать. Состав получаемого газа представлен следующим соотношением, %: СН4 - 63 – 65; СО2 - 32 – 34.

Высокая теплотворная способность получаемого биогаза составляет около 23 МДж/кг, что позволяет использовать его в качестве газового топлива, дляобогрева паровых котлов, пар которых можно использовать в той же технологической схеме, например, для поддержания оптимального температурного режима в процессе биометаногенеза, протекающего в метантенках. Полученный метан подается в газгольдер, а затем в котельную, где происходит его сжигание для подогрева воды, получение пара, направляемых для обогрева производственных и бытовых помещений или на технологические нужды. Частьполученного пара направляется в метантенки и служит для подогрева смеси осадка и биологической пленки.

52

Расчетная часть

В примере 1 дан образец расчета для первого задания.

Пример 1.

Исходные данные для расчета:

-количество смен – 3;

-количество рабочих дней в году N– 300;

-производительность установки V(м3/ч) – 1,8;

-плотность осадка ρ (т/м3) – 1,0;

-концентрация Сос (г/дм3) – 25;

-молярная масса М – 167.

Процесс биометаногенеза подразделяется на две последовательные стадии. На первой стадии идет окислительное разложение высокомолекулярных органических веществ на низкомолекулярные кислоты, спирты, аминокислоты, аммиак, глицерин, ацетон, сероводород, диоксид углерода, водород, являющиеся

ложения илового осадка совпадают. Суммарная реакция биометаногенеза может быть представлена уравнением:

СО2 + 4Н2А → СН4 + 4А + 2Н2О, где Н2А – органическое вещество, содержащее водород.

Параллельно могут протекать как в присутствии, так ви отсутствии водорода следующие реакции:

СО + 3Н2 → СН4 + 2Н2О, 4СО + 2Н2О → 3СО2 + СН4.

Получение метана при биометаногенезе на второй стадии

из уксусной кислоты представлено уравнениями:

CH COOH → CH +CO

CO +4H +2H O. ,

53

Если биометаногенезу подвергаются осадки, полученные при очистке сточных вод, содержащих сульфаты, то процесс мо-

жет идти при участии сульфатвосстанавливающих бактерий:

5АН + SО → 5А + H S + 4Н О.

Процесс анаэробного разложения с участием бактерийденитрификаторов, протекающий с образованием аммиака, мож-

но описать уравнением

6AH +2NO → 6H O+N .

Рассчитаем массу обезвоженного осадка, т/ч,

Mобезв.ос. = V(м3/ч) ∙ ρ ,

Mобезв.ос. = 1,8 ∙ 1,0 = 1,8т/ч.

Рассчитаем массу беззольного вещества, т/ч,

Mбезз.в-ва =Mобезв.ос. · Сос

Mбезз.в-ва =1,8 т/ч ∙ 0,25 = 0,45 т/ч.

Рассчитаем годовую производительность беззольного вещества:

Mгод.безз.в-ва =Mбезз.в-ва ∙ 3 ∙ 8 ∙ 300 ,

где 3 – количество смен; 8 – количество часов в смене; 300 – количество рабочих дней в году

Mгод.безз.в-ва = 0,45 ∙ 3∙ 8 ∙ 300 = 3240 т/год

54

Основная реакция метанообразования может быть представлена уравнением:

СО2 + 4Н2А → СН4 + 4А + 2Н2О,

где Н2А – органическое вещество, содержащее водород.

Х = (3240 ∙ 16) / (167 ∙ 4) = 77,6 т/год (77600 кг/год)

Найдем объем метана:

Vметан= Mметана. / ρметан,

где Mметана. - масса метана, кг/год = 77600 кг/год; ρметан– плотность метана, = 0,7 кг/м3;

Vметан= 77600 / 0,7 = 110 857 м3/год.

Объем полученного метана в течение года составит 110857 м3.

В примере 2 дан образец расчета для второго задания.

Пример 2

Исходные данные для расчета:

-вместимость емкости М, т, – 9;

-вид токсиканта – ацетон;

-масса токсиканта m, т, – 3.

55

Степень анаэробного разложения органических соединений зависит от его химических свойств и, как правило, не более 40 %. Но достижение такой степени разложения возможно при соблюдении определенных параметров ведения технологического процесса, обусловленных температурными рамками: для мезофильных условий это 30-35 оС, а для термофильных - 50-55оС. Температура является самым важным показателем, от которого зависит интенсивность процесса разложения. Крометого на степень сбраживания оказывают влияние объем/масса органического вещества, загружаемого в реактор, а также скорость перемешивания. Если перерабатываемый осадок имеет повышенную влажность, а также соли металлов и детергенты, то в реактор необходимо вводить пониженную на 25-50 % навеску.

Оптимальными условиями для эффективного проведения процесса анаэробного брожения в метантенках являются показатели, приведенные на рис. 10.

ПДК химических соединений, в томчисле, металлов, оказывающих токсическое воздействие, но не ингибирующее биометаногенез, приведеныв табл. 22.

Рис. 10. Показатели, повышающие эффективность процесса

56

Факторы снижения эффективности процесса представлены на рис. 11.

Рис. 11. Факторы снижения эффективности процесса

Необходимо определить концентрацию ацетона, мг/дм3, в сбраживаемой массе:

Сацетон= m(мг) / V(дм3),

где V - объем сбраживаемой массы, находится как отношение массы к плотности.

Так как не указана плотность сбраживаемой смеси, примем ее за 1000 кг/м3.

Объем сбраживаемой массы составит:

9 000 кг / 1000 кг/м3 = 9 м3,

Сацетон= (3 ∙ 109) мг / (9∙ 103 )л = 0,33 ∙ 10 6 мг/дм3.

Известно, что ПДКацетона = 0,0002 ∙ 106 мг/дм3.

Таким образом, превышение ПДК составит

0,33 / 0,0002 = 1650 раз.

Метановое сбраживание невозможно, так как ПДК токсиканта превышена в 1650 раз.

В примере 3 дан образец выполнения третьего задания.

57

Пример 3

Исходные данные для расчета:

-масса осадка М - 23 т;

-масса жиров Ж – 3 т;

-масса углеводов У – 12 т;

-масса белков Б - 5 т.

Повышенная влажность осадка сточных вод отрицательно влияет на эффективность технологического процесса из-за снижения на 25-50 % разовой дозы вводимого в метантенк осадка.

Поскольку анаэробное биоразложение осадка сточных вод проводят в герметичных реакционных аппаратах, снабженных только штуцерами для загрузки исходной массы и выгрузки обработанной, то на начальной стадии необходимо обезвоживать сырой

где Ж, У, Б – массовая доля жиров, углеводородов и белков, г/г беззольного вещества осадка;Qбз, Uбз, Кбз – масса получаемого соответственно беззольного вещества осадка, ила,смеси осадков, т/сут.

Содержание жиров, углеводородов и белков найдем как отношение масс компонентов к общей массе осадка.

А= (0,92 ∙ (3/23) + 0,62 ∙(12/23) + 0,34 ∙ (5/23))∙100 =

=(0,12+0,32+0,07)∙100 = 51 %.

Соответственно при обезвоживании:

масса воды = 0,49 ∙ 23 = 11,27 т

58

масса обезвоженного осадка = 0,51 ∙ 23 = 11,73 т Максимальная степень обезвоживания осадка составит 51 %

(или 11,73 т в пересчете на обезвоженное вещество).

Задание

1. Рассчитать по основной реакции метанообразования объем полученного метана в течение года, есликонцентрация беззольного вещества в обезвоженном осадкеСос (г/дм3); на биохимическое обезвреживание методом биометаногенеза подается V(м3/ч) обезвоженного осадка (производительность установки) с плотностью ρ (т/м3); средняя молярная масса органического вещества, подвергающегося биометаногенезуМ.

Производство работает по сменному графикуN дней в году. Смена – 8 ч. Решение практической задачи требует определения годового фонда рабочего времени. Исходные данные для выполнения практической работы представлены в табл. 23.

2. Определить возможность метанового сбраживания осадка очистных сооружений, если в емкость с обезвоженным осадком вместимостью М т дополнительно сброшены токсичные отходы массой mтонн в пересчете на основной токсикант. Исходные данные для расчета приведены в табл. 24.

3. Определить степень максимально возможного обезвоживания М т осадка от очистки сточных вод (в пересчете на беззольное вещество), содержащего жиры Ж( , т), углеводы (У, т), белки (Б, т). Исходные данные для расчета приведены в табл. 25.

59

60