Способ подогрева осадка сточных вод для анаэробной стабилизации в метантенке и устройство для его осуществления

Изобретение относится к биологической очистке сточных вод, в частности к анаэробной стабилизации осадка в метантенках для очистных сооружений производительностью более 50-100 тыс. м³/сут при мезофильном (32-35°С) и термофильном (52-55°С) температурных режимах. Для подогрева осадка и анаэробной стабилизации в метантенке сырой осадок загружают в метантенк, частично стабилизированный осадок отводят из метантенка, нагревают паром в инжекторе, после чего загружают снова в метантенк. Причем исходный пар разделяют в сепараторе на конденсат и сухой пар. Сырой осадок загружают в метантенк после того, как его смешивают с частично стабилизированным осадком и конденсатом, полученным при разделении исходного пара. Нагревают в инжекторе смесь частично стабилизированного осадка, сырого осадка и конденсата сухим паром, который подают на вход инжектора с возможностью регулирования расхода. Устройство подогрева осадка для анаэробной стабилизации в метантенке содержит метантенк, трубопровод подачи сырого осадка, инжектор, всасывающий и напорный трубопроводы инжектора, трубопровод подачи исходного пара, сепаратор, трубопровод конденсата, трубопровод сухого пара, конденсатоотводчик, а также запорно-регулирующую арматуру. Технический результат: повышение эффективности работы метантенка за счет обеспечения оптимального режима нагрева, более полного смешения осадка, минимизации потерь теплоэнергии и повышение надежности и долговечности используемого оборудования. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к биологической очистке сточных вод, в частности к анаэробной стабилизации осадка в метантенках для очистных сооружений производительностью более 50-100 тыс. м³/сут при мезофильном (32-35°С) и термофильном (52-55°С) температурных режимах.

При биологической очистке в метантенках происходит стабилизация осадков, отделяемых в процессе очистки сточных вод. Одновременно обеспечивается обеззараживание осадка за счет разложения органического вещества осадка в результате жизнедеятельности сложного комплекса микроорганизмов до конечных продуктов, в основном метана и диоксида углерода. В рассматриваемом случае анаэробной стабилизации метанообразующие бактерии представляют собой трофическую цепь первичных и вторичных анаэробов, а именно ферментативные кислотогены, ацетогены, образующие Н₂, ацетогены, использующие Н₂, метаногены, восстанавливающие СО₂, метаногены, использующие ацетат. Поскольку ацетогены и особенно метаногены весьма чувствительны к условиям процесса, то стадия образования метана оказывается существенно зависимой от этих условий.

Поскольку метантенки относятся к сложным и дорогим, но весьма эффективным сооружениям, обеспечивающим высокое качество сброженного осадка и получение энергии в виде биогаза, их работу интенсифицируют, в частности путем нагрева осадка.

Осадок можно подогревать с помощью теплообменников, также можно нагревать осадок в отдельно расположенной емкости. В качестве примера способа нагрева осадка можно привести патент РФ №2014313, МПК C 05 F 3/00, C 02 F 11/04 «Способ переработки органических отходов», в котором осадок барботируют непосредственно в метантенке извлеченным из биогаза диоксидом углерода. К недостаткам данного способа относится низкая эффективность нагрева.

Одним из способов подогрева осадка является подогрев осадка острым паром с помощью парового инжекторного подогревателя (инжектора), представляющего собой устройство, через которое циркулирует сбраживаемый осадок под действием кинетической энергии водяного пара.

Из уровня техники известны различные способы подогрева осадка паром. Например, такой способ описан в книге «Водоотведение и очистка сточных вод» под общей редакцией Ю.В. Воронова, Москва - 2002, стр.465, Издательство Ассоциации строительных вузов. В этом способе пар низкого давления с температурой 110-112°С подают во всасывающую трубу насоса при подаче и перемешивании осадка или непосредственно в метантенк через паровой инжектор (там же).

К недостаткам таких способов подогрева осадка можно отнести следующее. При установке инжектора непосредственно в метантенке происходит перегрев осадка, что способствует гибели метанообразующих бактерий, снижению выработки биогаза и созданию «нерабочей» зоны. При подаче острого пара во всасывающую трубу насоса при подаче и перемешивании осадка происходит тепловая и кавитационная инактивация функциональной биомассы.

Из уровня техники известен также способ подогрева осадка для анаэробной стабилизации в метантенке, при котором сырой осадок загружают в метантенк, частично стабилизированный в метантенке осадок отводят из метантенка и подают в инжектор, нагревают паром, а впоследствии нагретый осадок загружают в метантенк, при этом в метантенк подаются одновременно стабилизированный продукт при 35-50°С и биологически активное вещество, нагретое до 100°С (а.с. СССР №1428718, МПК C 02 F 11/04), взятый за прототип.

Недостатком указанного способа подогрева осадка для анаэробной стабилизации в метантенке является наличие существенных потерь кинетической и тепловой энергии пара, наличие кавитации и быстрого износа инжектора и запорно-регулирующей арматуры вследствие повышенной влажности смеси пара и нагреваемого осадка, недостаточное смешение исходного и частично стабилизированного осадка, а также неравномерность прогрева осадка в метантенке.

Из уровня техники известно устройство подогрева осадка для анаэробной стабилизации в метантенке, содержащее метантенк, инжектор, трубопровод подачи сырого осадка, трубопроводы, а также запорно-регулирующую арматуру «Водоотведение и очистка сточных вод» под общей редакцией Ю.В.Воронова, Москва-2002, стр.465, Издательство Ассоциации строительных вузов.

Из уровня техники известно также устройство подогрева осадка для анаэробной стабилизации в метантенке, содержащее метантенк, трубопровод подачи сырого осадка, всасывающий трубопровод инжектора, напорный трубопровод инжектора, трубопровод подачи исходного пара, а также запорно-регулирующую арматуру, где один из выходов метантенка сообщен со входом инжектора через всасывающий трубопровод инжектора, а один из входов метантенка сообщен с выходом инжектора через напорный трубопровод инжектора (авторское свидетельство СССР 1428718, МПК C 02 F 11/04), взятое за прототип.

К недостаткам указанных устройств подогрева осадка можно отнести следующее. Скорость пара, поступающего в инжектор, обычно очень велика (10-12 м/сек), кроме того, захват паром подсасываемого осадка при наличии всегда существующих пульсаций во время истечения пара приводит к сильному удару воды о сопло инжектора, поэтому даже незначительное содержание капель конденсата в паре приводит к быстрому износу сопла инжектора, даже при условии изготовления его из износоустойчивых материалов. Так, например, срок эксплуатации сопла из износоустойчивой стали не превышает пяти месяцев. Во время ремонтных работ прерывается процесс обработки осадка в метантенке, снижается эффективность работы.

Недостатком указанных устройств подогрева осадка также является наличие зоны перегрева осадка в метантенке, приводящее к гибели метанообразующих бактерий.

Задачей данного изобретения является повышение эффективности работы метантенка за счет обеспечения оптимального режима нагрева, более полного смешения осадка, минимизации потерь теплоэнергии и повышения надежности и долговечности используемого оборудования.

Задача данного изобретения решается за счет того, что в способе подогрева осадка для анаэробной стабилизации в метантенке сырой осадок загружают в метантенк, частично стабилизированный осадок отводят из метантенка и подают в инжектор, нагревают паром, после чего загружают снова в метантенк, причем исходный пар до подачи в инжектор разделяют на конденсат и сухой пар, сырой осадок загружают в метантенк после того, как его смешивают с частично стабилизированным осадком и конденсатом, полученным при разделении исходного пара, и нагревают в инжекторе смесь частично стабилизированного осадка, сырого осадка и конденсата сухим паром, который подают на вход инжектора с возможностью регулирования расхода.

В частных случаях исполнения способ подогрева осадка для анаэробной стабилизации в метантенке характеризуется следующими признаками: исходный пар подают под давлением, значение которого превышает давление столба осадка в метантенке; исходный пар разделяют на конденсат и сухой пар в сепараторе; сырой осадок смешивают с частично стабилизированным осадком и конденсатом во всасывающем трубопроводе инжектора; расход сухого пара регулируют с помощью запорно-регулирующего устройства в виде шарового крана.

Задача данного изобретения решается также за счет того, что устройство подогрева осадка для анаэробной стабилизации содержит метантенк, трубопровод подачи сырого осадка, всасывающий трубопровод инжектора, напорный трубопровод инжектора, трубопровод подачи исходного пара, а также запорно-регулирующую арматуру, где один из выходов метантенка сообщен со входом инжектора через всасывающий трубопровод инжектора, а один из входов метантенка сообщен с выходом инжектора через напорный трубопровод инжектора, причем устройство подогрева осадка для анаэробной стабилизации дополнительно включает в себя сепаратор, трубопровод конденсата, трубопровод сухого пара, при этом трубопровод подачи исходного пара сообщен со входом сепаратора, первый выход сепаратора сообщен через трубопровод конденсата, на котором установлены по крайней мере одно запорное устройство, обратный клапан и конденсатоотводчик, со всасывающим трубопроводом инжектора, с которым сообщен также трубопровод подачи сырого осадка, на котором установлено по крайней мере одно запорное устройство, а на всасывающем трубопроводе инжектора, до места сообщения с трубопроводом подачи сырого осадка, установлено по крайней мере одно запорное устройство, второй выход сепаратора сообщен со входом инжектора через трубопровод сухого пара, на котором установлено по крайней мере одно запорно-регулирующее устройство, при этом на напорном трубопроводе инжектора установлено по крайней мере одно запорное устройство.

В частном случае исполнения в устройстве подогрева осадка для анаэробной стабилизации в метантенке на трубопроводе конденсата конденсатоотводчик установлен ближе к сепаратору, запорное устройство установлено ближе ко всасывающему трубопроводу инжектора, а обратный клапан смонтирован между ними.

Способ подогрева осадка для анаэробной стабилизации в метантенке, осуществление которого иллюстрируется представленной на чертеже схемой, происходит следующим образом.

Исходный сырой осадок подают непосредственно во всасывающий трубопровод инжектора 2, в который подают также частично стабилизированный осадок из метантенка 1. Исходный пар подают в сепаратор 7, где его разделяют на сухой пар и конденсат. Конденсат подают во всасывающий трубопровод инжектора 2 по трубопроводу конденсата 8. Таким образом, в инжектор 3 подают смесь сырого и частично стабилизированного осадка с конденсатом, где эту смесь нагревают и перемешивают за счет действия сухого пара, который подают по трубопроводу сухого пара 12 с возможностью регулирования расхода сухого пара с помощью запорно-регулирующего устройства 13, например шарового крана или дисковой заслонки. Под напором сухого пара нагретую смесь загружают в метантенк 1.

Подачу сырого осадка осуществляют, например, с помощью насоса, а подача смеси в инжектор 3 происходит за счет действия вакуума, образующегося при подаче сухого пара в инжектор 3.

Попадание пара в трубопровод конденсата 8 предотвращают с помощью конденсатоотводчика 11 в виде гидрозатвора, в котором пар занимает верхнюю часть, а конденсат - нижнюю, при этом место соединения конденсатоотводчика 11 с трубопроводом конденсата 8 выбирают таким образом, чтобы оно не превышало уровень конденсируемой жидкости в конденсатоотводчике 11.

Давление исходного пара выбирают таким образом, чтобы оно превышало значение давления уровня осадка в метантенке 1 и избыточного давления под колпаком метантенка 1. Таким образом обеспечивают напорную подачу нагретой смеси сырого осадка, конденсата и частично стабилизированного осадка в метантенк 1 под давлением сухого пара.

На чертеже представлена схема устройства подогрева осадка для анаэробной стабилизации.

В устройстве подогрева осадка для анаэробной стабилизации в метантенке один из выходов метантенка 1 сообщен посредством всасывающего трубопровода инжектора 2 с входом инжектора 3. На всасывающем трубопроводе инжектора 2 установлено запорное устройство 4, например, в виде задвижки. Всасывающий трубопровод инжектора 2 сообщен с трубопроводом подачи сырого осадка 5, на котором установлено запорное устройство 6, например, в виде задвижки. Всасывающий трубопровод инжектора 2 сообщен также и с первым выходом сепаратора 7, который служит для разделения исходного пара на конденсат и сухой пар, через трубопровод конденсата 8, который служит для подачи конденсированной влаги исходного пара. На трубопроводе конденсата 8 установлено запорное устройство 9 в виде шарового крана, обратный клапан 10 и конденсатоотводчик 11 в виде гидрозатвора для предотвращения попадания пара в трубопровод конденсата 8. Вход сепаратора 7 сообщен с трубопроводом подачи исходного пара 16. Второй выход сепаратора 7 сообщен со входом инжектора 3 через трубопровод сухого пара 12, на котором установлено запорно-регулирующее устройство 13 в виде шарового крана, позволяющее дозировать расход сухого пара, подающегося на вход инжектора 3. Выход инжектора 3 сообщен с одним из входов метантенка 1 посредством напорного трубопровода 14, служащего для загрузки нагретой смеси сырого осадка, конденсата и частично стабилизированного осадка. На напорном трубопроводе 14 установлено запорное устройство 15, например задвижка.

Устройство подогрева осадка для анаэробной стабилизации работает следующим образом. Частично стабилизированный осадок из метантенка 1 поступает через открытую задвижку 4 во всасывающий трубопровод инжектора 2, куда также через открытую задвижку 6 по трубопроводу подачи сырого осадка 5 поступает сырой осадок.

Исходный пар при температуре более 100°С по трубопроводу подачи исходного пара 16 поступает в сепаратор 7, где он разделяется на сухой пар и конденсат, при этом обеспечивается отделение капель воды с достижением коэффициента улавливания конденсата 0,97 при оптимальной скорости прохождения пара с точки зрения сепарации капель (10-12 м/сек). Сухой пар по трубопроводу сухого пара 12 поступает в инжектор 3. Смесь сырого и частично стабилизированного осадка по всасывающему трубопроводу инжектора 2, куда также поступает и конденсированная влага по трубопроводу конденсата 8 из сепаратора 7, поступает в инжектор 3.

За счет горячего сухого пара смесь сырого и частично стабилизированного осадка с конденсатом нагревается в инжекторе, а затем под напором пара подается в метантенк.

Для обеспечения плавного истекания пара можно использовать безыгольчатый инжектор 3 с наклонными стенками сопла.

Запорное устройство 9 служит для обеспечения возможности ремонта или замены обратного клапана 10, в случае его поломки, что обеспечивает дополнительную степень защиты всей системы.

Расход пара регулируется запорно-регулирующим устройством 13, обеспечивая необходимый температурный режим нагрева осадка в зависимости от структурного состава поступающего сырого осадка, а также от его расхода и консистенции.

Осуществляя подачу сырого осадка во всасывающий трубопровод инжектора 2, и, как следствие, поступление в метантенк 1 уже нагретого осадка, достигается обеспечение оптимального температурного режима в метантенке 1, что благоприятно сказывается на жизнедеятельности метанообразующих бактерий, повышается производительность процесса анаэробной стабилизации осадка и выработки биогаза.

За счет подачи в инжектор 3 сухого пара уменьшается нагрузка на сопло инжектора 3, а также на запорно-регулирующее устройство 13, за счет чего увеличивается долговечность и надежность всей системы.

В предложенном изобретении за счет поступления конденсата во всасывающий трубопровод инжектора 2 обеспечивается более полное сохранение тепловой энергии исходного пара и минимизируются потери электроэнергии по сравнению с прототипом. Также происходит обеспечение оптимального температурного режима работы и более полное смешение осадка за счет подачи подогретой смеси до температур, необходимых при работе в условиях мезофильного и термофильного режимов (32-35°С и 52-55°С соответственно), не происходит, в отличие от прототипа, перегрева метаноообразующих бактерий и отсутствует зона перегрева.

Наличие запорно-регулирующего устройства 13, с помощью которого осуществляется регулирование расхода пара, позволяет осуществить дистанционное управление подачей пара.

В целом изобретение позволило обеспечить повышение эффективности работы метантенка 1 за счет обеспечения оптимального режима нагрева, более полного смешения осадка, минимизации потерь теплоэнергии и повышения надежности и долговечности используемого оборудования.

1. Способ подогрева осадка для анаэробной стабилизации в метантенке, при котором сырой осадок загружают в метантенк, частично стабилизированный осадок отводят из метантенка и подают в инжектор, нагревают паром, после чего загружают снова в метантенк, отличающийся тем, что исходный пар до подачи в инжектор разделяют на конденсат и сухой пар, сырой осадок загружают в метантенк после того, как его смешивают с частично стабилизированным осадком и конденсатом, полученным при разделении исходного пара, и нагревают в инжекторе смесь частично стабилизированного осадка, сырого осадка и конденсата сухим паром, который подают на вход инжектора с возможностью регулирования расхода.

2. Способ подогрева осадка для анаэробной стабилизации в метантенке по п.1, отличающийся тем, что исходный пар подают под давлением, значение которого превышает давление столба осадка в метантенке.

3. Способ подогрева осадка для анаэробной стабилизации в метантенке по п.1, отличающийся тем, что исходный пар разделяют на конденсат и сухой пар в сепараторе.

4. Способ подогрева осадка для анаэробной стабилизации в метантенке по п.1, отличающийся тем, что сырой осадок смешивают с частично стабилизированным осадком и конденсатом во всасывающем трубопроводе инжектора.

5. Способ подогрева осадка для анаэробной стабилизации в метантенке по п.1, отличающийся тем, что расход сухого пара регулируют с помощью запорно-регулирующего устройства в виде шарового крана.

6. Устройство подогрева осадка для анаэробной стабилизации в метантенке, содержащее метантенк, трубопровод подачи сырого осадка, всасывающий трубопровод инжектора, напорный трубопровод инжектора, трубопровод подачи исходного пара, а также запорно-регулирующую арматуру, где один из выходов метантенка сообщен со входом инжектора через всасывающий трубопровод инжектора, а один из входов метантенка сообщен с выходом инжектора через напорный трубопровод инжектора, отличающееся тем, что оно дополнительно включает в себя сепаратор, трубопровод конденсата, трубопровод сухого пара, при этом трубопровод подачи исходного пара сообщен со входом сепаратора, первый выход сепаратора сообщен через трубопровод конденсата, на котором установлены, по крайней мере, одно запорное устройство, обратный клапан и конденсатоотводчик, со всасывающим трубопроводом инжектора, с которым сообщен также трубопровод подачи сырого осадка, на котором установлено, по крайней мере, одно запорное устройство, а на всасывающем трубопроводе инжектора до места сообщения с трубопроводом подачи сырого осадка установлено, по крайней мере, одно запорное устройство, второй выход сепаратора сообщен со входом инжектора через трубопровод сухого пара, на котором установлено, по крайней мере, одно запорно-регулирующее устройство, при этом на напорном трубопроводе инжектора установлено, по крайней мере, одно запорное устройство.

7. Устройство подогрева осадка для анаэробной стабилизации в метантенке по п.6, отличающееся тем, что на трубопроводе конденсата конденсатоотводчик установлен ближе к сепаратору, запорное устройство установлено ближе ко всасывающему трубопроводу инжектора, а обратный клапан смонтирован между ними.