Процесс варочного котла сточных вод: как анаэробное сбраживание стабилизирует осадок и производит биогаз

Варочный котел сточных вод преобразует биоразлагаемые твердые вещества в более стабильный поток биологических твердых веществ, одновременно производя богатый метаном биогаз. На городских очистных сооружениях анаэробное сбраживание обычно используется после первичного и вторичного разделения твердых веществ для уменьшения летучих твердых веществ, запахов, уровня патогенов и количества осадка, требующего окончательной обработки.

Однако надежное разложение зависит от гораздо большего, чем просто помещение осадка в бескислородный резервуар. Температура, время гидравлического удерживания, загрузка органических веществ, смешивание, щелочность и консистенция корма — все это влияет на популяцию микробов, которые в конечном итоге производят метан.

Для операторов и проектировщиков очистки сточных вод понимание этих взаимосвязей имеет важное значение при оценке производительности варочного котла, устранении неполадок в нестабильной работе или рассмотрении вопроса о рекуперации биогаза и производстве возобновляемого природного газа.

Как работает процесс варочного котла сточных вод: четырехэтапная разбивка и цели стабилизации осадка

Анаэробное сбраживание — это процесс биологического преобразования, осуществляемый несколькими группами микроорганизмов, работающих последовательно. Обычно этот процесс описывается в четыре этапа.

1. Гидролиз

Крупные органические молекулы, такие как белки, углеводы и жиры, не могут напрямую использоваться многими анаэробными микроорганизмами. Во время гидролиза внеклеточные ферменты расщепляют их на более мелкие растворимые соединения, такие как аминокислоты, сахара и жирные кислоты.

Гидролиз может стать стадией, ограничивающей скорость, если осадок содержит медленно биоразлагаемые твердые частицы.

2. Ацидогенез

Ацидогенные бактерии превращают растворимые соединения в летучие жирные кислоты (ЛЖК), спирты, водород, углекислый газ, аммиак и другие промежуточные продукты.

Эта стадия происходит относительно быстро. Если производство кислоты становится быстрее, чем метаногенная популяция, находящаяся ниже по течению, может потреблять промежуточные продукты, ЛЖК накапливаются, и pH варочного котла может упасть.

3. Ацетогенез

Ацетогенные организмы преобразуют высшие ЛЖК и спирты в первую очередь в ацетат, водород и углекислый газ. Эти соединения становятся основными субстратами для метанобразующих микроорганизмов.

4. Метаногенез

Метаногенные археи превращают ацетат и водород/диоксид углерода в метан. Они растут медленнее и более чувствительны к температуре, pH, токсичным соединениям и внезапным изменениям нагрузки, чем многие кислотообразующие организмы.

Таким образом, общая цель – это не просто «разложение». Хорошо эксплуатируемый варочный котел поддерживает баланс всех четырех биологических стадий, так что летучие твердые вещества стабилизируются, а не позволяют накапливаться промежуточным кислотам.

Агентство по охране окружающей среды отмечает, что анаэробное сбраживание стабилизирует твердые частицы сточных вод, уменьшает запахи и патогены, а также превращает часть фракции летучих твердых веществ в биогаз.

Для управления биологическими твердыми веществами в США: Сокращение летучих твердых веществ на 38 % также является важным ориентиром, поскольку это один из методов, указанных в 40 CFR 503.33 для демонстрации снижения векторного притяжения.

Типы варочных котлов, конфигурации и основные рабочие параметры

Варочные котлы для сточных вод выбираются в зависимости от характеристик осадка, концентрации твердых веществ, занимаемой площади, скорости загрузки и желаемой рекуперации энергии.

Полностью смешанные анаэробные варочные котлы

Реактор с непрерывным перемешиванием или CSTR , является одной из наиболее известных конфигураций осадка городских сточных вод.

Смешивание удерживает твердые частицы во взвешенном состоянии, распределяет тепло и поступающее сырье, а также уменьшает локальные градиенты кислоты или температуры. Системы отопления обычно используются для поддержания стабильной рабочей температуры.

Для мезофильного сбраживания муниципального ила температура около 35°С (95°Ф) широко используется. Рекомендации EPA исторически связывают время пребывания примерно 15 дней при 35°C в высокоскоростном варочном котле с полностью смешанным составом с условиями, позволяющими добиться существенного снижения содержания летучих твердых веществ.

Фактическая проектная ЗГТ часто длится дольше и должна основываться на характеристиках ила, загрузке твердых частиц, температуре, избыточности и целях очистки.

Реакторы УАСБ

Ан анаэробный слой ила с восходящим потоком (UASB) Реактор работает по-другому. Сточные воды движутся вверх через плотный слой анаэробного ила, содержащий гранулированную или хлопьевидную биомассу.

Системы UASB особенно привлекательны для относительно высококонцентрированных промышленных сточных вод, поскольку они могут удерживать большую концентрацию активной биомассы, работая при сравнительно коротком времени гидравлического удержания.

Они, как правило, более подходят для растворимых или легко биоразлагаемых сточных вод, чем для густого городского осадка, содержащего высокие концентрации взвешенных твердых веществ.

Крытые анаэробные лагуны

Крытые лагуны представляют собой вариант меньшей сложности для теплого климата и некоторых сельскохозяйственных или промышленных сточных вод. Гибкая крышка улавливает образующийся биогаз, а лагуна обеспечивает объем переваривания.

Они обычно требуют больше земли и обеспечивают меньший контроль процесса, чем обогреваемые смешанные варочные котлы.

Независимо от конфигурации, несколько параметров должны оставаться сбалансированными:

Эти цифры следует рассматривать как отправную точку для эксплуатации, а не как универсальные проектные характеристики.

Например, увеличение OLR без учета HRT означает, что в тот же объем реактора попадает больше биоразлагаемого материала. Кислотообразующие организмы могут реагировать быстро, в то время как метаногены не могут увеличивать свою активность с той же скоростью.

Точно так же хорошее перемешивание не может компенсировать недостаточное нагревание, а высокая щелочность не может бесконечно компенсировать серьезную органическую перегрузку.

Стабильное пищеварение достигается за счет поддержания комбинированная биологическая среда , а не оптимизация одного параметра в отдельности.

Производство биогаза, повышение добычи метана и переход на возобновляемый природный газ

Анaerobic digestion produces biogas containing primarily methane and carbon dioxide together with water vapor, hydrogen sulfide, and trace contaminants.

Агентство по охране окружающей среды описывает сырой биогаз из анаэробных систем как обычно содержащий примерно 45–65% метана , хотя фактический состав сильно зависит от сырья и режима работы.

На очистных сооружениях этот газ может быть:

• сжигается в котлах для обогрева варочных котлов или зданий;
• используются в комбинированных теплоэнергетических системах;
• используется для производства электроэнергии;
• очищенный и переведенный на возобновляемый природный газ.

Увеличение производства метана за счет совместного сбраживания

Муниципальный ил сам по себе не всегда может максимизировать энергетический потенциал существующего варочного котла.

Добавление подходящих высокоэнергетических органических отходов, таких как остатки пищевой промышленности, пищевые отходы, жиры, масла и жиры, может увеличить содержание биоразлагаемого углерода и, следовательно, увеличить производство биогаза.

Агентство по охране окружающей среды определяет совместное сбраживание как метод, который может увеличить добычу газа из низкопродуктивного сырья. Один из них упомянул, что предприятие по очистке сточных вод в США, принимающее отходы пищевой промышленности, а также жиры, масла и жиры, примерно удвоило производство биогаза.

Это не означает, что желательно максимальное добавление корма. Поступающие субстраты следует оценивать на предмет:

• ХПК и концентрация летучих твердых веществ;
• жиры и длинноцепочечные жирные кислоты;
• содержание азота;
• сера;
• потенциально токсичные соединения;
• приемные и складские мощности;
• варочный котел OLR и смесительная емкость.

От варочного газа к ГСП

Неочищенный варочный газ обычно не пригоден для прямого впрыска в трубопровод природного газа.

Типичная модернизация включает в себя несколько этапов обработки:

Удаление сероводорода: Среды на основе железа, активированный уголь, биологическое обессеривание или другие технологии удаляют агрессивный H2S.

Удаление влаги: Охлаждение, конденсация, сушка или адсорбция уменьшают количество водяного пара.

Отделение CO2: Мембранное разделение, адсорбция при переменном давлении, очистка воды или химическая абсорбция могут увеличить концентрацию метана.

Контроль следов загрязнений: Силоксаны и ЛОС также могут потребовать удаления в зависимости от источника сточных вод и характеристик конечного газа.

Агентство по охране окружающей среды сообщает, что модернизированный ГСН обычно содержит не менее 90% метана, в то время как закачиваемый по трубопроводу ГСН обычно достигает примерно 90% метана. 96–98% метана , в соответствии со спецификациями качества газа принимающей компании.

Для проектов в США квалификация возобновляемого СПГ или СПГ, полученного из биогаза из варочных котлов муниципальных сточных вод, также может подпадать под утвержденные пути в рамках федерального стандарта на возобновляемое топливо.

Устранение распространенных нарушений процесса: пенообразование, ингибирование и сдвиги pH/щелочности.

Операторы должны реагировать на тенденции до того, как добыча метана рухнет.

Вспенивание

Вспенивание may result from filamentous organisms in the incoming sludge, rapid gas release, inadequate mixing, sudden loading changes, high concentrations of fats or proteins, or poor solids withdrawal.

Предупреждающие знаки включают в себя:

• увеличение глубины пены;
• нестабильный поток газа;
• повышение давления;
• твердые частицы, попадающие в газопровод;
• изменения характеристик корма или осадка.

Корректирующие действия могут включать снижение загрузки, улучшение распределения смешивания, управление проблемным сырьем, регулировку удаления осадка и механический контроль стойкой пены.

Накопление ЛЖК и падение pH

Внезапное увеличение органической нагрузки часто увеличивает выработку кислоты до того, как метанобразующие организмы успевают отреагировать.

ЛЖК начинают накапливаться, щелочность расходуется, а pH со временем снижается.

Однако, pH сам по себе является поздним индикатором потому что бикарбонатная буферность может скрыть развивающуюся нестабильность.

Поэтому операторы обычно отслеживают ЛЖК вместе с общей или бикарбонатной щелочностью. Постоянно увеличивающийся Отношение ЛЖК к щелочности обычно важнее, чем одно изолированное чтение. Как правило, значения ниже примерно 0,3 обычно указывают на комфортную буферизацию, тогда как постоянное движение к значению примерно 0,4–0,5 или выше должно вызывать расследование. Исторические тенденции, характерные для конкретной территории, всегда должны иметь приоритет над универсальной тревожной точкой.

Возможные ответы включают в себя:

• сокращение или временное прекращение приема высококонцентрированных кормов;
• повышение щелочности, когда это оправдано;
• корректировка температурных колебаний;
• проверка производительности смешивания;
• увеличение эффективного времени удерживания;
• выявление ингибирующих отходов.

Ингибирование аммиака и сульфидов

Сырье, богатое белками, выделяет аммиак, а серосодержащие отходы могут образовывать сероводород.

Токсичная доля аммиака сильно зависит от pH и температуры, поэтому концентрация общего аммиака, успешно работающая на одном предприятии, может вызывать ингибирование в разных условиях.

Сульфид создает как биологические, так и эксплуатационные проблемы, поскольку растворенный сульфид может ингибировать микроорганизмы, а газообразный H2S создает серьезные проблемы с коррозией и безопасностью.

Тенденции процент метана, CO2, H2S, ЛЖК, щелочность, pH, производство газа и загрузка сырья вместе обеспечивает гораздо более мощную систему раннего предупреждения, чем полагаться только на объемы газа.

Обработка дигестата, восстановление питательных веществ и баланс энергии и затрат

Анaerobic digestion does not eliminate sludge. It converts biodegradable organic material while leaving a stabilized digestate containing water, residual solids, nitrogen, phosphorus and inorganic material.

После разложения на очистных сооружениях обычно используются центрифуги, ленточные фильтр-прессы, шнековые прессы или другое обезвоживающее оборудование для уменьшения объема транспортировки.

Жидкий концентрат или фильтрат обычно возвращает значительное количество аммиака и растворимого фосфора в процесс очистки сточных вод. На более крупных предприятиях эти побочные биогенные нагрузки могут оправдать отдельную обработку азота или восстановление фосфора.

Одним из наиболее важных вариантов является извлечение фосфора в виде полезного фосфатного продукта, а не допущение неконтролируемого осаждения струвита в трубах, насосах и обезвоживающем оборудовании.

Утилизация твердых биологических веществ также должна учитываться при проектировании процесса.

Согласно правилам Агентства по охране окружающей среды США, Класс A и класс B относятся в первую очередь к требованиям по снижению количества патогенов. и они предъявляют различные требования к управлению землепользованием. Твердые биологические вещества класса B могут по-прежнему содержать обнаруживаемые патогены и, следовательно, требуют ограничений на размещение, в то время как твердые биологические вещества класса A отвечают более строгим требованиям по снижению количества патогенов.

Анaerobic digestion by itself should therefore not automatically be described as producing “Class A biosolids.” The complete treatment train and applicable Part 503 criteria determine the final classification.

Запуск варочного котла

Запуск должен быть постепенным.

Практическая последовательность включает в себя:

1. осматривать резервуары, системы отопления, газопроводов, системы сброса давления и смешивания;
2. внести подходящий анаэробный семенной ил;
3. устанавливать целевую температуру постепенно;
4. начинать кормление со сниженной органической нагрузкой;
5. контролировать pH, щелочность, ЛЖК и состав газа;
6. увеличивайте нагрузку только после того, как производство метана и химия процесса останутся стабильными.

Немедленная загрузка нового варочного котла на полную проектную мощность может позволить производству кислоты обогнать развивающуюся метаногенную популяцию.

Поэтому с экономической точки зрения лучший варочный котел для сточных вод не обязательно является реактором, производящим максимально возможное количество биогаза. Операторы должны сравнивать энергию нагрева и смешивания, экономию на удалении твердых частиц, потребление химикатов, техническое обслуживание, использование биогаза, обработку побочного потока питательных веществ и потенциальный доход от генератора природного газа или электроэнергии как единый интегрированный баланс.

Планирование системы сбраживания сточных вод

Производительность варочного котла начинается с точного определения характеристик сточных вод и осадка.

Прежде чем выбирать реактор, систему смешивания, установку очистки газа или соответствующее оборудование для очистки сточных вод, определите ожидаемую загрузку твердых частиц, характеристики ХПК, температуру, содержание серы и азота, требования к HRT, конечный маршрут твердых биологических веществ и предполагаемое использование биогаза.

Ханчжоу Nihao Environmental Tech Co., Ltd. поставляет продукцию для очистки сточных вод и поддерживает муниципальные и промышленные проекты очистки сточных вод, подбирая оборудование, ориентированное на технологические процессы.

Если вы планируете новую систему очистки сточных вод или модернизируете существующий биологический процесс, свяжитесь с нами. Нихао Вода с учетом вашего расхода, характеристик сточных вод, цели очистки и существующей информации о процессе. Наша команда может помочь оценить подходящие конфигурации очистки и вспомогательное оборудование для всей линии очистки сточных вод.

Часто задаваемые вопросы

Каковы четыре стадии анаэробного сбраживания при очистке сточных вод?

Четыре стадии: гидролиз, ацидогенез, ацетогенез и метаногенез. Сложный органический материал сначала преобразуется в растворимые соединения, затем в летучие кислоты и другие промежуточные продукты, затем в ацетат и водород и, наконец, в метан и углекислый газ.

В чем разница между мезофильным и термофильным анаэробным пищеварением?

Мезофильное сбраживание обычно происходит при температуре 30–38°C, причем температура примерно 35°C широко используется в муниципальных шлакоуборочных машинах. Термофильное расщепление обычно протекает при температуре 50–57°C. Термофильные системы могут обеспечивать более быстрые биологические реакции и большее снижение количества патогенов, но, как правило, более чувствительны к изменениям температуры и нарушениям технологических процессов.

Как время гидравлического удерживания и скорость загрузки органических веществ влияют на производительность варочного котла?

HRT определяет, как долго материал остается в реакторе, а OLR показывает, сколько органического материала вносится на единицу объема реактора в день. Чрезмерная загрузка в сочетании с недостаточным удержанием может вызвать накопление ЛЖК, поскольку образование кислоты превышает способность метаногенного преобразования.

Что вызывает пенообразование в анаэробных варочных котлах и как его можно контролировать?

Вспенивание may be associated with filamentous organisms, high protein or fat loading, rapid gas production, poor mixing, feed variations, and accumulated scum. Control measures include identifying the source, correcting loading or mixing conditions, managing feedstocks, and removing accumulated foam or scum where necessary.

Как биогаз из реактора превращается в возобновляемый природный газ?

Сырой биогаз очищается от воды, сероводорода, углекислого газа и таких примесей, как силоксаны и летучие органические соединения. Технологии могут включать активированный уголь, железосодержащие среды, мембраны, адсорбцию с переменным давлением и системы очистки. Для ГСП трубопроводного качества обычно требуется гораздо более высокая концентрация метана, чем для неочищенного варочного газа.

Какова типичная цель снижения летучих твердых веществ для хорошо эксплуатируемого варочного котла для сточных вод?

Многие муниципальные варочные котлы нацелены на уничтожение летучих твердых веществ примерно на 40–60% в зависимости от биоразлагаемости осадка и конструкции процесса. В Соединенных Штатах сокращение летучих твердых веществ на 38% особенно важно, поскольку это один из вариантов EPA для демонстрации снижения притяжения векторов в соответствии с 40 CFR, часть 503.

Какие меры безопасности необходимы при эксплуатации варочного котла и биогазовой установки?

Основные опасности включают риск возгорания и взрыва метана, токсичность сероводорода, атмосферу с дефицитом кислорода, сжатый газ, замкнутые пространства и движущееся оборудование. На предприятиях следует использовать соответствующие средства обнаружения газа, вентиляцию, защиту от давления и вакуума, контроль пламени, электрическую классификацию, процедуры работы в замкнутом пространстве, системы аварийного отключения и рабочие процедуры, специфичные для конкретной площадки. Применимые OSHA, нормы пожарной безопасности, электрические нормы и местные требования должны быть рассмотрены во время проектирования и эксплуатации системы.