Проектирование и расчет метантенков для очистных сооружений г. Владимир

Аннотация. В работе рассмотрены сооружения для сбраживания осадков – метантенки. Приведена существующая схема очистки сточных вод г. Владимир с перечнем сооружений. Представлен расчет и проектирования метантенков для очистных сооружений г. Владимир в связи с преимуществами добавления данных сооружений в технологическую схему. Приводится сравнение двух режимов сбраживания. Предложена модернизированная схема очистки сточных вод.

Abstract. Structures for fermentation of sediments - methane tanks are considered in the work. The existing scheme of waste water treatment in Vladimir with the list of structures is presented. The calculation and design of methane tanks for treatment facilities in Vladimir is presented in connection with the advantages of adding these facilities to the process diagram. The two fermentation modes are compared. A modernized wastewater treatment scheme is proposed.

Ключевые слова: технология; сточные воды; органические вещества; очистка воды; очистные сооружения; метантенк; биогаз; метановое сбраживание; расчет.

Keywords: technology; wastewater; organic substances; water purification; treatment facilities; methane tank; biogas; methane fermentation; calculation.

Значение систем водоотведения как в экологическом аспекте, так и в экономическом воздействии трудно переоценить. Системы водоотведения призваны устранять последствия негативных воздействий сточных вод на окружающую природную среду. Системы отведения стоков, которые правильно спроектированы и построенные, при нормальном режиме эксплуатации позволяют своевременно отводить огромные количества объемов сточных вод. В результате нормального режима эксплуатации уменьшается количество аварийных ситуаций со сбросом стока в водные объекты. Это позволяет уменьшить затраты на охрану окружающей среды, а также избежать катастрофического ее загрязнения. Система водоотведения города Владимира представляет собой сложный комплекс инженерных сооружений и технологических процессов. Этот комплекс можно разделить на три главных составляющих:

- это организация сбора и транспортировки хозяйственно-бытовых сточных вод от населения и предприятий. Осуществляется по самотечным и напорным коллекторам на очистные сооружения канализации;

- это механическая и биологическая очистка хозяйственно-бытовых сточных вод на очистных сооружениях канализации г. Владимира;

- и наконец, это обработка и утилизация получаемых осадков сточных вод.

Очистные сооружения канализации с выпуском стоков в реку Клязьма находятся ниже города Владимир, в пойме реки. Сточные воды, которые поступают на очистные сооружения канализации, содержат бытовые стоки (в процентном соотношении примерно 68%) и промышленные стоки (32%).

Проектная производительность очистных сооружений канализации г. Владимир составляет 150 000 м³/сутки. [1]

Таблица 1.

Распределение расхода сточных вод

Рисунок 1. График распределения расхода сточных вод

Технологический процесс очистки сточных вод на очистных сооружниях канализации состоит из следующих последовательных операций:

- первоначальное смешение поступающих на очистные сооружения сточных вод;

- последующая механическая очистка сточных вод от загрязнений;

- последующая биологическая очистка стоков;

- процесс дезинфекции очищенных сточных вод;

- процесс обработки осадков сточных вод.

Таблица 2.

Состав сооружений, предусмотренный для проведения полной биологической очистки стоков на очистных сооружениях г. Владимир

Рисунок 2. Существующая схема очистных сооружений г. Владимира

В связи с очевидными преимуществами [2] использования резервуаров-метантенков в составе технологической схемы очистки сточных вод на очистных сооружениях канализации, произведен расчет и проектирование метантенков для добавления в схему очистки сточных вод города Владимира.

Основные параметры процесса имеют следующие данные:

Концентрация взвешенных веществ, поступающих на очистные сооружения канализации, составляет значение С_взв = 150 мг/л, концентрация органических загрязнений в сточной воде С_БПК = 200 мг/л. Эффект осветления в первичных отстойниках 45,4 %.

Вначале расчета необходимо определить количество сухого вещества осадка Q_сух, т/сут. Определяем по формуле (1):

 т/сут                                                                                        (1)

Значение выноса активного ила из вторичного отстойника принимается равным 15 мг/л. В следствии этого, количество сухого вещества активного ила И_сух, т/сут можно определить по формуле (2):

 т/сут                                                                        (2)

Количество беззольного вещества для осадка Q_без, т/сут рассчитывается по формуле (3):

 т/сут                                                                                    (3)

Количество беззольного вещества для активного ила И_без, т/сут определим по формуле (4):

 т/сут                                                                                   (4)

При методе удаления осадка сточных вод из отстойников с помощью плунжерных насосов, можно принять значение его влажности равной 93%. При методе самотечного удаления осадка сточных вод из отстойников под гидростатическим давлением принимаем значение влажности равной 95%. Влажность для уплотненного активного ила для вертикальных уплотнителей равна 98%, для радиальных уплотнителей - 97,3%. Плотность и осадка и активного ила можно считать равной 1.

Значение расхода для сырого осадка V_oc, м³/сут определяется по формуле (5):

 м³/сут                                                                                              (5)

Значение расхода для уплотненного активного ила V_из, м³/сут определим по формуле (6):

 м³/сут                                                                                               (6)

В результате, общий расход осадков по сухому веществу М_сух, т/сут определим по формуле:

 т/сут                                                                                     (7)

Общий расход осадков по беззольному веществу М_без, т/сух определим по формуле (8):

 т/сут                                                                                     (8)

Общий объем осадков по объему смеси фактической влажности М_общ, м³/сут определим по формуле (9):

 м³/сут                                                                                  (9)

Среднее значение влажности смеси В_см, % находим по формуле:

 %                                                                                     (10)

Среднее значение зольности смеси З_см, % находим по формуле:

 %                                                                        (11)

Рассмотрим расчет для процесса мезофильного режима сбраживания осадка при Т = 33 °С.

При значении влажности исходной смеси 97%, суточная доза загружаемого в метантенк осадка для мезофильного режима сбраживания принимается Д = 7%.

Требуемый в таком случае объем метантенка V, м³ находим по формуле (12):

 м³                                                                                            (12)

В результате расчета по значению принимаем к проектированию 2 метантенка объемом 8000 м³ по Типовому Проекту 902-2-228. Характеристики данных метантенков: диаметр метантенка – 22,6 м; высота верхнего конуса – 4,45 м; высота цилиндрической части – 16,3 м; высота нижнего конуса – 3,7 м. Строительный объем здания обслуживания – 2000 м³, газового киоска – 170 м³.

Общий суммарный объем метантенков при этом получается больше, чем требуемый по расчету, в связи с чем фактическая суточная доза загружаемого осадка уменьшится.

Значение фактической дозы загрузки Д^’ ,% определим по формуле (13):

 %                                                                                                (13)

Предел распада смеси а_см, % определим по формуле (14):

 %                                                                                           (14)

Для подсчета выхода газа с 1 кг органического вещества осадка при сбраживании, принимаем коэффициент n = 0,40 (при значениях влажности В_см = 97% и t = 33⁰С).

Объем выхода газа с 1 кг органического вещества осадка У ^‘, м³/кг составляет:

0,423 м³/кг                                                                                          (15)

Суммарный объем выхода газа Г, м³/сут по формуле (16) составит:

 м³/сут                                                                                (16)

Для выравнивания давления газа в газовой сети предусматриваем к проектированию мокрые газгольдеры. Вместимость газгольдеров V_г рассчитываем на t = 4 ч выхода газа V_г , м³ по формуле (17):

 м³                                                                                               (17)

По расчету принято два газгольдера по Типовому Проекту 7-07-01/66 объемом 1000 м³ каждый.

Массу беззольного вещества сброженной смеси M’_без, т/сут определим по формуле (18):

 т/сут                                                                                      (18)

Разность между М_сух – М_без представляет собой зольную часть, которая не подвергается никаким изменениям в процессе сбраживания. Масса сухого вещества сброженной смеси M’_сух, т/сут определим по формуле (19):

 т/сут                                                                       (19)

Значение влажности сброженной смеси В'_см, % определим по формуле (20):

 %                                                                            (20)

Гигроскопическую влажность сброженной смеси осадка З_см, % определим по формуле (21):

 %                                                                                (21)

В результате, общий объем сброженной смеси М’_общ, м³/сут определим по формуле:

 м³/сут                                                                        (22)

Приходим к выводу, что сбраживание осадка сточных вод в итоге приводит к увеличению влажности и зольности бродящей массы.

Рассмотрим расчет для процесса при термофильном режиме сбраживания при температуре Т = 53 °С.

При значении влажности исходной смеси 97%, суточная доза загружаемого в метантенк осадка для мезофильного режима примается равной Д = 14%.

Требуемый в таком случае объем метантенка V, м³ находится по формуле (23):

 м³                                                                                              (23)

Принимаем в результате расчета 2 метантенка объемом 4000 м³ по Типовому Проекту 902-2-228. Характеристики данных метантенков: диаметр – 20 м; высота верхнего конуса – 2,9 м; высота цилиндрической части – 10,6 м; высота нижнего конуса – 3,5 м. Строительный объем здания обслуживания – 2520 м³, газового киоска – 174 м³.

Суммарный объем метантенков при этом получается больше требуемого по расчету. В результате, фактическая суточная доза загружаемого осадка уменьшится.

Значение фактической дозы загрузки Д^’ ,% определим по формуле (24):

 %                                                                                              (24)

Предел распада смеси а_см, % определим по формуле:

 %                                                                                        (25)

Для подсчета объема выхода газа с 1 кг органического вещества осадка принимаем коэффициент n = 0,17 (при значениях влажности В_см = 97% и t = 33⁰С).

Объем выхода газа с 1 кг органического вещества осадка У ^‘, м³/кг составляет по формуле:

0,4314 м³/кг                                                                                      (26)

Суммарный объем выхода газа Г, м³/сут по формуле (27) составит:

 м³/сут                                                                           (27)

Для выравнивания давления газа в газовой сети при проектировании предусматриваем устройство мокрых газгольдеров, вместимость которых V_г рассчитываем на t = 4 ч выхода газа V_г , м³ по формуле (28):

 м³                                                                                            (28)

В результате расчета принято два газгольдера по ТП 7-07-01/66 объемом 1000 м³ каждый.

Общую массу беззольного вещества сброженной смеси M’_без, т/сут определим по формуле (29):

 т/сут                                                                                    (29)

Разность между М_сух – М_без представляет собой зольную часть, не подвергающуюся никаким изменениям в процессе сбраживания. Масса сухого вещества сброженной смеси M’_сух, т/сут определим по формуле (30):

 т/сут                                                                      (30)

Значение влажности сброженной смеси В'_см, % определим по формуле (31):

 %                                                                             (31)

Гигроскопическую влажность сброженной смеси З_см, % определим по формуле:

 %                                                                                  (32)

Общий объем сброженной смеси М’_общ, м³/сут определим по формуле:

 м³/сут                                                                         (33)

В результате сравнения расчета для двух режимов сбраживания осадков (мезофильного и термофильного) получаем следующие результаты:

1. Количество метантенков для проектирования при мезофильном режиме – 2шт. объемом 8000 м³; при термофильном – 2шт. объемом 4000 м³;

2. Объём газа при мезофильном режиме –  м³/сут; при термофильном –  м³/сут.

Исходя из полученных результатов расчета для проектирования метантенков предпочтительным является термофильный режим сбраживания осадков. [3]

Рисунок 3. Схема очистных сооружений г. Владимира с метантенками

Таким образом, предлагается провести модернизацию очистных сооружений г. Владимир с добавлением в технологическую схему метантенков. В целом, эта модернизация с добавлением резервуаров-метантенков, значительно позволит сэкономить площади очистных сооружений, реализовать процесс обработки осадка надежным и подлежащим автоматическому управлению способом, а также позволит локализовать источники загрязнения воздуха.