Очистка побутових вод з отриманням біогазу на малих регенераційних установках

Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНИЙ АВІАЦІЙНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

КАФЕДРА ХІМІЇ ТА ХІМІЧНОЇ ТЕХНОЛОГІЇ

КУРСОВА РОБОТА

з дисципліни: «Альтернативні палива»

Тема: «Очистка побутових вод з отриманням біогазу на малих регенераційних установках»

Виконав: студент 505 ІЕБ Заторський Д.В.

Перевірила: доцент Кустовська А.Д.

Київ 2016



Зміст

Вступ

Розділ 1. Загальні відомості про біогаз

1.1 Загальна характеристика біогазу

1.2 Склад біогазу

Розділ 2. Метантенки, аеротенки. Принцип роботи, характеристика

2.1 Метантенки

2.2 Принцип і режим роботи метантенка

2.3 Аеротенки. Їх типи

2.4 Типова технологічна схема очищення води в аеротенках

Розділ 3. Отримання біогазу на генераційних установках

3.1 Одержання біогазу шляхом метанового бродіння

3.2 Отримання біогазу на установці «ТІАЛ-БІО»

Висновки

Список використаної літератури

біогаз аеротенк метантенк бродіння



Вступ

Сьогодні є більш ніж реальна перспектива часткового позбавлення залежності країни від імпорту природного газу, яка пов'язана із розвитком різних видів поновлювальних джерел енергії, і зокрема, одного з найбільш універсальних - біогазу.

Загалом розвиток вітчизняної біогазової енергетики є не лише реальною альтернативою поглибленню залежності країни від імпорту викопних паливно-енергетичних ресурсів, але й надає перспективи диверсифікації агробізнесу та надходження додаткових доходів в умовах нестійкого характеру рентабельності виробництва більшості видів продукції рослинництва і тваринництва. Виробництво і використання біогазу - це не тільки отримання альтернативного виду енергії, а і вирішення екологічних проблем, пов'язаних з утилізацією і переробкою відходів АПК і з отриманням органічних добрив, підвищенням врожайності сільськогосподарських культур, відтворенням родючості ґрунтів.



Розділ 1. Загальні відомості про біогаз

1.1 Загальна характеристика біогазу

Біогаз - горючий газ, що утворюється при анаеробному метановому зброджуванні біомаси та складається переважно з метану (55...75%), двоокису вуглецю (25...45%) і домішок сірководню, аміаку, оксидів азоту та інших ( ? 1% ).

Розкладання біомаси відбувається в результаті хіміко - фізичних процесів і симбіотичної життєдіяльності головним чином 3-х груп бактерій, при цьому продукти метаболізму одних є продуктами харчування інших в певній послідовності. Перша група - гідролізні бактерії, друга - кислото утворюючі, третя - метаноутворюючі [1].

Кількість субстратів/видів відходів, що використовуються для виробництва біогазу в межах однієї біогазової установки, може варіюватися від одного до десяти і більше. Залежно від типів і кількості видів застосовуваних субстратів існують різні варіанти технологічних схем біогазових станцій. У разі застосування декількох субстратів, що відрізняються властивостями, наприклад, рідких і твердих відходів, їх накопичення, попередня підготовка (подрібнення, біоактивізація, підігрів, гомогенізація або інша фізико-хімічна обробка) проводиться окремо, після чого вони або змішуються перед подачею в біореактори, або подаються роздільними потоками. Використання попередньої підготовки у ряді випадків дозволяє домогтися збільшення швидкості і ступеня розпаду сировини в біореакторах, а отже - загального виходу біогазу [4].

Біогазові проекти в агропромисловому секторі можуть бути організовані за одним зі способів:

- виробництво біогазу на базі відходів окремого підприємства (наприклад, гній тваринницької ферми, жом цукрового заводу, барда спиртового заводу), при цьому один вид відходу буде домінуючим );

- виробництво біогазу на базі відходів різних підприємств, з прив'язкою проекту до окремого підприємства або окремо розташованої централізованої БГУ;

- виробництво біогазу з переважним використанням енергетичних рослин на окремо розташованих БГУ.

1.2 Склад біогазу

Склад газу нестабільний і залежить від багатьох факторів. Склад біогазу: 55-75% метану, 25-45% СО2, незначні домішки водню (Н2) і сірководню (Н2S), азоту, ароматичних вуглеводнів і т.п. ( Табл..1) [2].

Отриманий в результаті метанового бродіння біогаз, як правило, поступається за теплотворними властивостями природному газу. Проте після відповідної технологічної сепарації (поглинання і використання на інші технологічні потреби наявного вуглекислого газу) перевершує природний газ за теплотворністю.

Таблиця 1.1 - Хімічний склад біогазу

Речовина	Хімічна формула	Вміст, %
Метан		40 - 75
Вуглекислий газ		25 - 55
Водяний пар		0 - 10
Азот		менше 5
Кисень		менше 2
Водень		менше 1
Сірководень		менше 1
Аміак		менше 1



Розділ 2. Метантенки, аеротенки. Принцип роботи, характеристика

2.1 Метантенки

Метантенк (від англ. Methane - метан і англ. Tank - резервуар) - пристрій для анаеробного бродіння рідких органічних відходів з отриманням метану. [4]

Рис 2.1 .Аварійний Метантенк на Бортницький станції аерації

Метантенк являє собою циліндричний резервуар з конічним днищем і герметичним перекриттям, у верхній частині якого є ковпак для збору газу, звідки газ відводиться для подальшого використання. Метантенки проектуються у вигляді резервуарів з рухомим (плаваючим), нерухомим перекриттям і надувним перекриттям. До числа переваг метантенків з плаваючим перекриттям відноситься їх вибухобезпечність, можливість регулювання завантаження і вивантаження осаду по положенню плаваючого перекриття по висоті. Однак застосування їх обмежене, тому що внаслідок великого дзеркала збродженої маси створюються сприятливі умови для утворення кірки. Крім того, при низькій температурі повітря важко рух плаваючого перекриття по напрямних роликах через їх обмерзання. [1] Найбільшого поширення набули метантенки з нерухомими перекриттями. Осад в метантенкі перемішується і підігрівається за допомогою особливих пристроїв.

Метантенки - споруди вибухонебезпечні, тому їх слід розташовувати на відстані не менше 40 м від основних споруд станції, автомобільних і залізниць і високовольтних ліній. На огородженій території метантенків палити і розводити відкритий вогонь забороняється. У всіх приміщеннях пускові та струмовідні пристрої повинні монтуватися у вибухобезпечному виконанні. [7]

2.2 Принцип і режим роботи метантенка

Зверху в метантенк по трубі надходить осад і активний мул. Для прискорення процесу бродіння метантенк підігрівають, а вміст перемішують. В умовах відсутності кисню з органічних речовин (жирів, білків і т. Д.) Утворюються жирні кислоти, з яких при подальшому бродінні утворюється метан і вуглекислий газ.

Зброджений мул високої вологості видаляється з нижньої частини метантенка і спрямовується на сушку (наприклад, мулові майданчики), а газ, що утворився відводиться через труби в покрівлі метантенка.

З одного кубічного метра осаду в метантенкі виходить 12-16 кубометрів газу, в якому близько 70% становить метан.

Режими роботи

Залежно від температури, при якій відбувається бродіння, розрізняють два типи процесу - мезофільне зброджування, що відбувається при температурі 30-35 ° С, і термофільне зброджування, що відбувається при температурі 50-55 ° С.

Термофільне зброджування відрізняється більшою інтенсивністю розпаду органічних речовин і закінчується приблизно в 2 рази швидше, за рахунок чого вдвічі скорочується необхідний обсяг споруд.

При термофільному зброджуванні досягається повна дегельмінтизація осаду каналізаційних стоків, тоді як в умовах мезофільних температур гине лише 50-80% яєць гельмінтів. [8]

Основною перевагою мезофільного зброджування є забезпечення процесу теплом, одержуваних від спалювання газів бродіння. Підігрів осаду до термофільних температур, особливо в зимовий час, вимагає додаткової витрати палива, що тягне за собою збільшення експлуатаційних витрат.

Осад, зброджений в термофільних умовах, значно важче зневоднюється, ніж осад, зброджений при мезофільному процесі, тому вибір температурного режиму бродіння має здійснюватися з урахуванням прийнятої схеми подальшої обробки осаду.

На сучасних очисних станціях зброджуванню зазвичай піддається суміш сирого осаду і активного мулу. Мінералізація органічних речовин осаду і мулу в процесі бродіння супроводжується виділенням продуктів розпаду в газ і в мулову воду і призводить до значних змін в хімічному складі сброженной суміші.

Загальний обсяг бродильної суміші практично не змінюється і, так як суху речовину в результаті розпаду зменшується, вологість осаду в процесі бродіння зростає. Зростає і зольність, оскільки зольна частина осаду при зброджуванні залишається незмінною, а суху речовину зменшується. [1]

2.3 Аеротенки. Їх типи

Аеротенк (грец. -- повітря і англ. tank -- бак) -- споруда для штучного біологічного очищення стічних вод за допомогою активного мулу (бактерії-мінералізатори та нижчі організми) і продування повітрям (аерації).



Рис 2.2 .Аеротенк

Основними спорудами аеробного біоочищення з активним мулом є аеротенки, які працюють в парі з вторинним відстійником, де проходить розділення очищеної стічної води на виході з аеротенка і суспензії активного мулу. Частина активного мулу забирається з системи, а частина (рециркуляційний мул) повертається в аеротенк для підвищення його продуктивності і скорочення кількості надлишкового мулу. Залежно від ступеня забруднення та об'єму стічної води, складу забруднень та умов очищення застосовують різні гідродинамічні режими організації потоку води, її циркуляції, подавання повторного активного мулу та аерування.[8]

Типи аеротенків:

за конструкцією та кількістю ступенів очищення:

о одноступеневі аеротенки без регенерації (при БПКповне стічної води не більше за 150 мг/л);

о одноступеневі аеротенки з регенерацією (при БПКповне стічної води понад 150 мг/л та за наявності шкідливих промислових домішок);

о двоступеневі аеротенки (з регенерацією або без неї для очищення висококонцентрованих стічних вод);

о багатокамерні аеротенки (зазвичай п'ять - дев'ять камер однакового об'єму, що дає змогу передбачити повздовжнє перемішування);

за структурою руху потоків стічної води зворотного активного мулу (гідродинамічним режимом):

о аеротенки-витиснювачі - стічна вода та зворотний активний мул подаються зосереджено з однієї з торцевих частин аеротенка, а випускаються також зосереджено з іншої торцевої частини (при БПКповне води, яка надходить, до 300 мг/л);

о арогенки-змішувачі - подавання та випуск стічної води та мулу відбувається рівномірно вздовж довгих сторін коридору аеротенка (при БПК[до 1000 мг/л);

о аеротенки з розосередженим подаванням стічної води - стічна вода підводиться в декількох точках по довжині аеротенка, а відводиться зосереджено з його торцевої частини; оборотний мул подається зосереджено на початок аеротенка;

за способом регенерації активного мулу (аеротенки з видільною регенерацією і аеротенки без видільної регенерації");

за навантаженням на активний мул (з високим навантаженням, звичайні і з низьким навантаженням);

за способом введення стічних вод (проточні, напівпроточні, контактові).

2.4 Типова технологічна схема очищення води в аеротенках

Інтенсивне аеробне очищення передбачає аеровані ставки з перемішуванням бактерійного мулу, усереднювач, відстійник, аеротенки в комплексі з відстійником та регенератором мулу. Для виконання цього процесу застосовують безперервне культивування, хімічний мутагенез продуцентів, асоціації культур.[3]

Типова технологічна схема очищення води в аеротенках охоплює всі стадії (механічну, біологічну, фізико-хімічну) очищення:

біодеградація - стічна вода після ретельного механічного очищення від різноманітного сміття, піску, жиру, інших дисперсних домішок, що осідають чи спливають, потрапляє у вузьку (3-11 м), глибоку (4-6 м) і довгу (50-250 м) споруду, де за постійної аерації очищається складним гідробіоценозом - активним мулом;

осідання активного мулу - після тривалої від 6 до 24 і навіть більше годин обробки вода надходить у вторинний відстійник, в якому звільняється від активного мулу;

видалення біогенів - напівочищена вода потрапляє для так званого третинного фізико-хімічного доочищення, іноді після хлорування, у проміжні водойми - ставки і, нарешті, у річку;

рециркуляція активного мулу - частину активного мулу, що осідає у вторинному відстійнику, повертають до біологічної очисної споруди, - аеротенка.

Схема 2.1. Типова технологічна схема очищення води в аеротенках

Аеротенк належить до гомогенних біореакторів (повного зміїиування або повного витіснення). Типова конструкція біореактора є залізобетонною герметичною прямокутною посудиною, пов'язаною з відстійником. Аеротенк розділяється повздовжніми перегородками на декілька коридорів, зазвичай 3-4. Конструкційні відмінності різних типів аеротенків зв'язані переважно з конфігурацією біореактора, методом подавання кисню, величиною навантаження.[1]

У біомасі мікроорганізмів активного мулу аеротенків міститься найпростіший набір ферментів, придатних для здійснення деградації і видалення забруднень зі стоків. На поверхні біомаси, яка має сильну адсорбційну здатність і здатна утворювати стабільні флокули, адсорбуються забруднення стоків, що легко осідають під час відстоювання. Частинки активного мулу, що часто позначаються як завислі (зважені) частинки суміші (ЧАМС) мулу, є флокульованою сумішшю бактерій і найпростіших організмів, що у вигляді стабільних флокул здатні швидко осідати з утворенням щільного мулу у відстійнику.



Розділ 3. Отримання біогазу на генераційних установках

3.1 Одержання біогазу шляхом метанового бродіння

Біогаз - це продукт обміну речовин в організмах багатьох груп бактерій. Відомо, що в метаногенезі, крім метанових бактерій, беруть участь інші групи мікроорганізмів, а саме:

- бактерії, що перетворюють продукти деструкції целюлози в янтарну кислоту (сукцинат), пропіонову (пропіонат), масляну (бутират), молочну (лактат), оцтову (ацетат) кислоти, спирти, С та

- ацетогенні бактерії, які зброджують утворені первинні метаболіти, синтезуючи ацетат, форміат (мурашину кислоту) , С та .

Утворені сполуки можуть входити в живильні субстрати для метаногенів. Умовно виділяють чотири стадії бактеріального метаболічного руйнування органічних субстратів з отриманням біогазу.

І стадія - бактерії - аероби: ферментативно перебудовують високомолекулярні сполуки, що містяться в біомасі відходів (білки, полісахариди, в основному целюлозу й ліпіди) у низькомолекулярні водорозчинні зброджувані метаболіти: цукри, амінокислоти, жирні кислоти. Процес гідролізу полімерних молекул органічного субстрату під дією екзоферментів бактерій (амілаз, протеаз, ліпаз) проходить повільно, що зумовлено рівнем кислотності середовища (оптимальний рН = 4,5-6) й тривалістю перебування перших у ферментаторі [3].

ІІ стадія - до розщеплення залучаються кислото-утворювальні бактерії, в середину клітин яких проникають окремі молекули, де вони продовжують ферментативно змінюватись. З них в анаеробних умовах, коли рН = 6-7,5, утворюються, у першу чергу, нестійкі карбонові кислоти: оцтова, мурашина, молочна, янтарна, масляна, пропіонова, низькомолекулярні спирти (етанол) і гази - діоксид вуглецю, водень, сірководень та аміак. При цьому формуються необхідні умови для активації метанових бактерій (рівень рН знижується). Цей етап називають фазою біологічного окиснення.

ІІІ стадія - проходить перетворення органічних кислот (бурштинової, мурашиної, масляної, молочної, пропіонової) на продукти, що є попередниками метану, а саме: оцтову кислоту, діоксид вуглецю й водень. У цьому процесі беруть участь кислотоутворювальні (ацетогенні) групи бактерій, до яких належать Clostridium aceticum, Clostridium thermoaceticum, Acetobacterium woodii. Отже, в середовищі, де утворюється метан, обов'язкова наявність оцтової кислоти відповідно до такого рівняння: ферменти 4 + С ССООН+ 2О.

В організмі метанових бактерій, подібно до ацетогенів, синтез у клітинних структурах ацетату з С і відбувається через етап утворення метаболітів ацетил-КоА та пірувату.

IV стадія (останній етап) - продукти життєдіяльності метанових бактерій (Methanobacterium formicicum, Methanospirillum hungati) ацетат, діоксид вуглецю й водень переважно перетворюються в метан (до того ж, саме на цьому етапі синтезується 90 % усього метану).

Слід підкреслити, що ІІІ стадія біосинтезу оцтової кислоти відіграє найбільш відповідальну роль у швидкості процесу метаноутворення. Оптимальне значення показника рН при цьому підтримується на рівні 7 (його коливання можуть перебувати в діапазоні 6,6-8). Основним джерелом енергії для метанових бактерій є саме молекула (донор водню) й діоксид вуглецю, який бере участь у біосинтезі клітинних речовин названих видів бактерій [4, 5].

Утворення метану відбувається за спрощеною відновною біокаталітичною реакцією, а саме: ферменти 4 + С+ С + 2О. Ланцюговий механізм анаеробного процесу метаногенезу з використанням органічної сировини показано на (Cхемі. 1). Біохімічне перетворення водню й діоксиду вуглецю на метан - складний багатоступеневий процес за участю багатьох структурних компонентів метанових бактерій, серед яких спеціалізовані ферменти, коферменти й активні простетичні (небілкові) групи. Основним чинником розщеплення органічного матеріалу на окремі складові компоненти й перетворення їх у метан (унаслідок метанового бродіння твердих субстратів) є водне середовище, оскільки більшість бактерій здатні споживати речовини тільки в розчиненій формі [5].

Cхема 3.1. Поетапний ланцюговий процесу утворення біогазу

У процесі метаболічного перетворення органічних речовин продукти ферментативних реакцій однієї групи бактерій виступають поживними речовинами для наступної. Причому різні види бактерій утилізують органічні сполуки з різною швидкістю. Бактерії - аероби при достатньому живленні подвоюють свою масу впродовж 20 хвилин - 10 годин (час генерації аеробів).

3.2 Отримання біогазу на установці «ТІАЛ-БІО»

Даний септик призначений для очищення господарсько-побутових стічних вод від приватних будинків, котеджів і об'єктів малоповерхової забудови. Подібні житлові споруди знаходяться в районах, які не мають централізованої системи каналізації. Тому на ділянці встановлюється незалежна каналізація, головним елементом якої є септик біологічного очищення «ТІАЛ-БІО».

Рис.3 .1 Отримання біогазу на установці «ТІАЛ-БІО»

У початковій версії, септик виконаний з двох двосекційних герметичних металевих корпусів з вбудованими трубопроводами. Перший трубопровід - подачі вихідної стічної води. Другий - відведення очищеної води, перепуску між секціями та видалення біогазу. Через гідрозатвори перша секція септика з'єднується з підвідної лінією і другий секцією. Розподіл води в третій секції збувається через трубу. На корпусі кожної секції кріпиться металева знімна кришка. Перша секція септика (метантенк) виконує функцію анаеробного реактора. Секція функціонально розділена перегородкою на дві реакційні зони з перепускними отворами. Перша зона - септична. Друга зона анаеробного зброджування. Третя реакційна зона являє собою біофільтр, в якому розташована інертна губчаста завантаження висотою не менше 700 мм. Температурний режим, підтримується за рахунок повітряної подушки.

Також існує механічна, бактеріальна і біохімічне очищення стічних вод. Вона має різний тип бактерій і задіяна в трьох зонах. Подібне очищення вод забезпечує ефективний захист стічних вод як в ситуаціях дефіциту вільного кисню (анаероби) так і за його присутності (аероби). По каналізаційних трубах з житлового будинку стічна вода самопливом надходить в септичну зону метантенка. У цій зоні затримуються жири, неосідаючі частинки плаваючі плівки і поверхнево-активні речовини. Плаваючі речовини надалі утворюють кірку. Тверді речовини, здатні осідати, зосереджуються на дні у вигляді осаду. Через отвори перегородки стічні води надходять у зону анаеробного зброджування. Перехідні отвори септичній зони знаходяться нижче рівня плаваючої кірки, але вище рівня осаду.

Герметичність корпусу і присутність гідрозатворів на вході і виході метантенка допомагають підтримувати дефіцит вільного кисню. Подібна конструкція дозволяє забезпечувати анаеробний процес очищення. У реакційних зонах першої секції септика працюють спочатку додаткові мікроорганізми, а потім метаногенні бактерії.[2]

Після процесу освітлення в метантенкі стічні води порціями просочуються в біофільтр. У ньому вони рівномірно розподіляються по поверхні активної завантаження. Присутність бактерій у вихідній стічній воді, сприяє тому, що на завантаженні протягом перших двох-трьох тижнів утворюється біоплівка. Завдяки чому бактерії, а також допустимі гриби, утворюють нижній трофічний рівень. Вони сприяють окисленню органічних сполук, а так само служать їжею для різних видів найпростіших, інфузорій, коловерток і інших організмів, що знаходяться в біоплівці.

Процес просочування стічної води через завантаження викликає аеробне окислення водню і вуглеводу. А це викликає формування вуглекислоти і води. Слідом за тим відбувається окислення амонійного азоту до нітратів. Щоб процес утворення біоплівки протікав швидше, в очисному спорудженні використовують особливі біоферментних добавки.

Після біофільтра стічна вода стікає в спеціальний приймач-накопичувач очищених стоків. Після цього, за допомогою дренажного насоса частинами надходять в точку зливу (дренажне поле, придорожня канава, і т.п.). Щоб уникнути потрапляння грунтових вод в септик застосовується зворотний клапан. Для поліпшення очищення, частина стоків проходить повторну очистку також через біофільтр. Зверху і знизу завантаження є вентиляційні ходи. Завдяки циркуляції повітря, біофільтр забезпечується аеробним окисленням. Середня температура стоків, що надходять з дому в септик, дорівнює 15 ° С. Підводять труби заповнюються тільки під час скидання. Всі реакції в метантенкі супроводжуються виділенням тепла. Температура в боіфільтрі підтримується теплими стоками з метантенка[6]



Висновок

Одним з важливих секторів ВДЕ в світі є виробництво та енергетичне використання біогазу. Лідером у виробництві біогазу по праву можна вважати Євросоюз в цілому, і Німеччину зокрема. Загальне виробництво біогазу в ЄС-25 у 2010 р. склало 10,9 млн. т н.е. (еквівалент 13,5 млрд. м3 природного газу), з них 6,7 млн. т н.е. - вироблено в Німеччині. При цьому приріст по відношенню до 2009 р. склав 31,3%.



Список використаної літератури

1. Бойлс Д. Биоэнергия: технология, термодинамика, издержки: Пер. с англ. -- М.: Агропромиздат, 1987. -- 152 с.

2. Сидоров Ю. І., Мельниченко О. С., Новіков В. П., Влязло Р. Й. Розрахункова модель безперервного виробництва біогазу та її економічний аналіз // Вісник НУ «Львівська політехніка». -- 2004. -- № 497. -- С. 65-70.

3. Гелетуха Г., Кобзар С., Копєйкін К. Перспективи розвитку технологій. Отримання біогазу в Україні. - 2001. - № 3. - С. 12-14.

4. Біотехнологія: Підручник/В.Г. Герасименко, М.О. Герасименко, М.І. Цвіліховський та ін.; За заг. ред. В.Г. Герасименка. - К: Фірма «ІНКОС», 2006. - 647 с.

5. Ткаченко С. Й., Степанов Д. В. Теплообмінні та гідродинамічні процеси в елементах енергозабезпечення біогазової установки: Монографія / Вінниц. нац. техн. ун-т. - Вінниця: УНІВЕРСУМ - Вінниця, 2004. - 132 c.

6. Погорелый Л.В., Луценко М.М. Биотехнические системы в жнвотноводстве. К., 1992. - С. 268-292.

7. Пузанов А.Г., Калюжньїй С.В., Скляр В.И. Разработка методов интенсификации процесса метанового сбраживания навоза крупного рогатого скота / Биотехнология. - 1990. - № 5. - С. 49 - 51.

8. Мариненко Е.Е. Основы получения и использования биотоплива для решения вопросов энергосбережения и охраны окружающей среды в жилищно-коммунальном и сельском хозяйстве: Учебное пособие. - Волгоград: ВолгГАСА, 2003. - 100 с.

Размещено на Allbest.ru

...