Метантенк для биогазовой установки

Метантенк представляет собой железобетонный резервуар для сбраживания органических отходов и биологического осадка сточных вод. Название «метантенк» резервуар получил благодаря комбинации из двух слов: метан (наиболее выделяемый при брожении органики вид газа) и «tank» (по английский — «бак» или «резервуар»). Метантенк также имеет другие названия: «анаэробный реактор» и «биореактор».

Процесс переработки биологического материала в метантенке осуществляется с помощью естественных микроорганизмов, присутствующих во всех органических отходах. В результате саморазложения органической массы выделяется полезный биогаз. Для лучшего газообразования брожение протекает без притока свежего воздуха (анаэробное условие). Полученный в метантенке биогаз используется для как для промышленных нужд, так и для коммунально-бытовых целей.

Метантенк — это важная часть биогазовой установки. Его герметичный резервуар выполняет сразу две полезные функции: выработка биогаза и утилизация отходов. В отличие от классических мусоросжигательных устройств, биореактор не производит выбросов в атмосферу парникового газа (метана). Тем самым, биореактор вносит свой вклад в борьбу с глобальным потеплением.

Истощаемость запасов газовых месторождений приводит к постепенному подорожанию столь важного для экономики ресурса. Все чаще промышленные предприятия и фермерские хозяйства переходят на собственный бесплатный биогаз. Особенно это выгодно при газификации удаленных хозяйств.

Качественный биореактор отличается хорошими эксплуатационными свойствами и высокой производительностью. К примеру, тонна коровьего навоза в метантенке производит до 65 м3 биогазовой смеси с 60%-ной концентрацией метана. А тонна растительной биомассы способна производить от 150 м3 (трава) до 500 м3 (силосная кукуруза, водоросли) биогаза с концентрацией метана до 70%. Наибольшую же генерацию газа в биореакторе показал жир — 1300 м3 с концентрацией метана 87% на одну тонну жировой массы.

При расчете выхода биогаза принято использовать два химических термина: сухое вещество (СВ или TS) и сухой остаток (СО). Вода является обязательным компонентом для разжижения биомассы, но в химическом процессе газообразования она не участвует. Практические исследования показали, что 1 кг СВ дает от 300 до 500 литров (0,3-0,5 м3) газовой смеси.

В биогазовой установке биореактор выступает как самостоятельный объект, вокруг которого выстраиваются вспомогательные элементы общей конструкции. Однако метантенк способен применяться и в качестве неосновного элемента. В городской водоочистительной системе метантенк является одним из вспомогательных звеньев в цепочке водоочистительных сооружений. Этот герметичный резервуар принимает жидкий осадок из первичных отстойников и излишний активный ил из резервуаров для вторичного отстоя. В свою очередь активный ил образуется из крупных частиц сточной жидкости, не удержанных первыми эеротенками-отстойниками.

Технология сбраживания в метантенках требуют в течение суток производить равномерную загрузку осадка в резервуар. При этом важными параметром для изначальных расчетов является выбранная температура для работы анаэробного ректора. От температуры зависит скорость бродильного процесса и производительность метантенка. Выделяют три температурных режима для брожения:

• Психрофильный режим (до 20°C). Характеризуется низкой производительностью и малыми энергозатратами на поддержание температуры.
• Мезофильный режим (от 25 до 45°C). Средняя производительность при средних затратах энергии.
• Термофильный режим (от 50 до 65°C). Высокая производительность при значительных энергозатратах.Температурные режимы активируют определенные группы бактерий, разлагающих биомассу с разной интенсивностью. На практике термофильный режим признан оптимальным для биореактора. Он применяется и в метантенках водоочистных сооружений, и в биогазовых установках на фермах.

Параметры вместимости метантенка для очитки городских сточных вод зависят от объема ежесуточно загружаемой в резервуар дозы осадка (или смеси осадка с илом) и от показателя влажности, типичной для этой жидкой биомассы (см. табл. 1). А расчет габаритов биореакторадля осадков от производственных сточных вод определяется на основе экспериментальных данных.

Под действием специальных анаэробных бактерий подготовленная биомасса (смешанная, разжиженная) проходит три стадии анаэробного брожения (см. табл. 2). Конечным продуктом является смесь газов, которая после очистки и постобработки готова для поставки потребителю. При этом эффективность выработкибиогаза зависит от технологии и от химико-физических свойств биомассы. К технологическим факторам влияния на газообразование относят следующее:

• Доза загрузки в резервуар осадка и его концентрация.
• Выбранный температурный режим и отсутствие скачков температуры (сверх допустимой нормы).
• Способ загрузки-выгрузки.
• Выбранная система перемешивания.

К природным же свойствам биомассы относят её химический состав, объем, плотность и скорость распада присутствующих в ней органических веществ.

Работу с биореактором для фермерского хозяйства можно условно разделить на следующие стадии:

• Органический материал загружают в открытые емкости для подготовки.
• Для нужной концентрации и влажности биомассу разжижают водой или уплотняют новой порцией органики.
• Полученную массу тщательно перемешивают.
• Подготовленную органическую массу помещают в герметичный метантенк для бескислородного разложения. Технологический принцип газообразования в метантенке представлен на рис. 1.

Если же метантенк обслуживает водоочистные сооружения, то способ подачи органики не может осуществляться вручную. Осадки сточных вод и активный ил из вторичных отстойников чаще всего поступают по прямоточной схеме (рис 1). Вспомогательные конструкции регулируют периодичность подачи доз свежего осадка с илом или подачу с короткими перерывами. Одновременно с самотечной загрузкой свежей органики происходит выгрузка накопленной бесполезной массы.

В осадках сточных вод содержится значительная часть неорганических частиц (песок). Песчинки не участвуют в газообразовании, но при этом также попадают в резервуар. Песок тяжелее по весу, чем органика, и неизбежно оседает на дно. Поэтому окно выгрузки с соответствующими отводящими трубами расположены в самом низу резервуара. Подача же свежей биомассы производится сверху. Окна подачи и выгрузки размещаются на максимально возможное расстояние друг от друга. Это предотвращает засасывание в нижние «мусорные» трубы поступающей свежей органики.

Конструкция прямоточных метантенков экономит теплопотери при подаче-разгрузке биомассы и предотвращает резкое падение температуры в резервуаре от залповой подачи холодной биомассы.

Биогаз выделяется с поверхности биомассы неравномерно. Согласно законам физики, в закрытом резервуаре метантенка образуются области разного давления газа. В результате такой «динамичный» газ не годится для подачи потребителю под стабильным давлением. Поэтому для выравнивания газового давления к газопроводным трубам часто пристраивают тупиковые ответвления с накопительными емкостями — газгольдеры. В дословном переводе с английского, «газгольдер» означает «сдерживатель газа». Помимо статичных газгольдеров, прием газа из биореактора может осуществляться с помощью «мокрого» газгольдера. Такой тип «газового сдерживателя» представляет собой колокол, помещенный в мини-резервуар с водой и соединенный с газопроводной трубой. При избыточном давлении газа колокол медленно выталкивается из воды, разряжая тем самым общее давление в системе. Когда газовое давление ослабевает, колокол погружается обратно в воду.

Современная конструкция мокрого «газгольдера» отличается от классического варианта. Она может иметь динамичные звенья, выдвижные части, гидравлические затворы, направляющие с верхними и нижними роликами. Колокол является верхней частью выдвижной конструкции газгольдера, а нижние её части называют телескопами. Когда колокол всплывает к максимальной верхней точке над поверхностью воды, он сцепляется с погруженной частью телескопа. Газ начинает выталкивать из воды тело телескопа вместе с колоколом, который оказывается уже над поверхностью воды. Телескопических частей может быть несколько, и при повышении давления они по очереди выходят друг из друга. При уменьшении газового давления все телескопические части «складываются» в обратном порядке. Тем самым достигается стабильное давление в сети. Если необходимо усилить удерживаемое давление, то к колоколу присоединяют утяжеляющие его вес грузы.

Размер и форма резервуара метантенков зависит от специфики задач, которые решает этот анаэробный реактор. Габариты метантенка фермерского хозяйства существенно отличаются от размерных параметров биореактора, обслуживающего санитарные потребности целого города.

Крупные очистные станции используют индивидуальные проекты конструкций метантенка, с заложенным полезным объемом резервуара до 8000 м3. К примеру, очистная станция в английском городе Могден имеет объем биореактора около 3800 м3, а в американском Детройте резервуар метантенка вмещает 8500 м3.

Для малых же хозяйств разработаны типовые проекты биореактора диаметром до 20 метров и с полезным объемом от 2 м3. С помощью подобных бытовых метантенков можно утилизировать органические отходы, отапливать близлежащие дома и напрямую использовать биогаз для бытовых нужд. А пристроенные к биореактору газовые электрогенераторы позволяют вырабатывать собственную электроэнергию.

Самая оптимальная форма для рабочей части небольшого метантенка — сферическая. Она идеальна для удержания тепла. Небольшие метантенки для приусадебного хозяйства часто возводят именно в форме полусферы.

Однако придание подобной формы крупному резервуару является крайне сложной инженерной задачей. Поэтому резервуары больших биореакторов часто проектируют в упрощенной цилиндрической форме. К примеру, конструкция метантенков Курьяновской станции водоочистки (г. Москва) выполнена в виде цилиндра с полусферическим верхом и низом. Горловина метантенка пересекает резервуар от самой верхней точки до самой нижней. Бродящая биомасса при любом уровне загрузки всегда расположена выше нижнего основания горловины. Благодаря этому площадь свободной поверхности жидкости сокращается, а интенсивность газовыделения увеличивается. Повышение газоотдачи на каждом квадратном сантиметре поверхности биомассы разрушает образующуюся на ней корку. Расчет площади для горловины подобных резервуаров зависит от планируемого объема выделяемого газа. На московской станции этот показатель находится в диапазоне 700-1200 м3 в сутки. Давление газа при этом составляет 3-3,5 кПа.

Практика показала, что при расчетах габаритов метантенка оптимальное отношение диаметра резервуара к его глубине находится в пределах пропорций от 1:1 до 1:0,8. Также было установлено, что в больших резервуарах нецелесообразна установка на разной высоте сточных труб для отделения ила от сброженного осадка. При высоких загрузках такие трубы просто засоряются.

Переработанные в метантенке биологические отходы называются «дигестатом». Отработанная твердая масса является высокоэффективным удобрением, содержащим минерализованные азот, фосфор, калий. Также дигестат обладает полным набором микро и макроэлементов для роста растений. А биологически активные вещества дигестата вместе с гуминоподобными соединениями хорошо структурируют почву. Одна тонна дигестата из биореактора по своей эффективности равна 80-100 тоннам свежего навоза.

Практическую значимость метантенков сложно переоценить. Благодаря их анаэробному свойству человечество получило возможность трансформировать органические отходы в разные виды энергий: тепловую, газовую, электрическую. Одновременно с этим осуществляется и утилизация органического мусора, который всегда был настоящей проблемой для больших городов.

Все чаще крупные энергетические компании переходят на выработку энергоресурса из бесплатных органических отходов. Например, американская фирма «CH Energy Group Inc» получила в 2007 году 15-летний контракт на поставку электроэнергии в город Оберн (штат Нью-Йорк). Источником для выработки электроэнергии стали все городские отходы, имеющие органическую основу. Подготовленный мусор загружают в резервуар большого метантенка, который перерабатывает органику в биогаз. А пристроенная к резервуару газовая электростанция осуществляет непрерывную подачу электроэнергии в электросеть города.

Вырабатываемой электроэнергии хватит на электроснабжение 2500 домашних хозяйств. Тем самым муниципалитет Оберна получил двойную выгоду: дешевую электроэнергию и существенное снижение расходов на избавление от городского мусора.

Стоит отметить, что отечественная энергетика также не отстает от перспективных проектов на базе альтернативных источников энергии. Ранее упомянутая Курьяновская станция аэрации ещё в январе 2009 года запустила тепловую электростанцию на биогазе, вырабатываемом в метантенках из осадка сточных вод. Созданная мини-ТЭС мощностью 10 мВт перекрывает 50% всей электроэнергии, потребляемой огромной водоочистной системой мегаполиса. Успешный опыт биоэнергетических проектов вдохновил предпринимателей по всему миру на установку биореакторов для независимого энергоснабжения своих хозяйств и предприятий.