автореферат диссертации по строительству, 05.23.04, диссертация на тему:Исследование двухфазных технологий сбраживания осадков сточных вод

2 3 КОЯ ^

На правах рукописи

Савельева Людмила Сергеевна

Исследование двухфазных технологий сбраживания осадков сточных вод

05.23.04. водоснабжение, канализации, строительные системы охраны водных ресурсов

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1998

Работа выполнена в Московском государственном строительном университете Научный руководитель: кандидат технических наук

Николаев В.Н.

Официальные оппоненты: доктор технических паук профессор Гюнтер Л.И.

Ведущая организация: Московский научно-исследовательский и проектно-изыскательский институт МосводоканалНИИпроект.

диссертационного совета К 053.11.08 в Московском государственном строительном университете по адресу: 129337, Москва, Ярославское ш. д 26 в ауд. ,

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московскою государственного строительного университета.

кандидат технических наук Драчикова Е.С.

Защита состоится <

1998 г. в ч

часов на заседании

Автореферат разослан «¿¿у>

1998 г.

Ученый секретарь Диссертационного совета

Орлов В.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность.

Переход на процессы с глубокой биологической очисткой сточных вод приводит к получению глубоко минерализованного активного ила, сбраживание которого затруднено.

Применяемый на Московских станциях аэрации в настоящий момент термофильный режим сбраживания с малым временем пребывания не позволяет получить удовлетворительный распад органического вещества и приводит к получению осадка с неудовлетворительными водоотдающими свойствами.

В тоже время, в условиях применения современного обезвоживающего оборудования, водоотдающие свойства осадков становятся важнейшим фактором, определяющим работу сооружений механического обезвоживания и стоимость всего процесса обработки осадка.

Таким образом, существует острая необходимость во внедрении технологии сбраживания, позволяющей не только увеличить распад, но и добиться хороших водоотдающих свойств сброженного осадка.

В данной работе поставленная задача решается путем разработки технологии двухфазного сбраживания, совмещающей на первой фазе термогадролиз и биогидролиз при работе на смеси осадков повышенной концентрации.

Цели и задачи исследований.

В мировой практике задача получения осадков с хорошими водоотдающими свойствами решается в большинстве случаев за счет мезофильного сбраживания осадка с большим временем пребывания. В условиях Московских станций аэрации такой подход невозможен, поскольку Российские санитарные нормы требуют обеззараживания осадка, а также из-за ограниченного объема метантенков.

Исходя из этого, основной задачей исследований является разработка режима двухфазного сбраживания:

•позволяющего получить осадок с хорошими водоотдающими свойствами, при специфических свойствах исходной смеси, содержащей концентрированный активный ил;

•не требовать строительства дополнительных емкостей;

•соответствовать требованиям санитарных норм.

У

Научная новизна работы. На основании проведенных экспериментальных исследований получены следующие закономерности процессов двухфазного сбраживания осадков сточных вод и последующего механического обезвоживания сброженных осадков:

• Получены технологические параметры работы метантенков по двухфазной технологии (65°С-(0,5-0,7) суток на первой фазе и 30°С-10 суток на второй фазе);

•Разработаны технологические параметры процесса обезвоживания сброженного по новой технологии осадка;

•Доказано положительное влияние увеличения концентрации (в исследованных пределах) поступающего активного ила на глубину процесса сбраживания при разделении фаз;

• В ходе исследований, благодаря совместному анализу параметров процесса и активностей биомассы, удалось показать предполагаемый механизм интенсификации процесса сбраживания при1 разделении фаз дня выбранной схемы с экстратермофильной кратковременной первой фазой;

• Получены динамические характеристики экстратермофильно-мезофилъного процесса сбраживания и обезвоживания осадка.

Практическое значение работы заключается в следующем:

• Разработанная технологическая схема двухфазного сбраживания смеси сырого осадка и нгоконагружаемого активного ила, сгущенного на ленточных сгустителях с использованием флокулянта, позволяет:

- Не увеличивая объемы метантенков повысить интенсивность процесса;

- Значительно сократить расход реагентов;

- Отказаться от промывки сброжениого осадка;

•Разработаны рекомендации по изменению технологии сбраживания осадков сточных вод на Курьяновской Станции Аэрации;

• Определены технико-экономические показатели эффективности применения разработанной технологии.

Внедрение результатов исследований. Схема с двухфазным сбраживанием осадка внедрена в проект нового блока очистных сооружений г.Уфа.

Планируется внедрение предлагаемой технологии в проект реконструкции мстантенков Ш1БСА и в проект 3 блока ЛбСА.

По результатам проведенных исследований совместно с Институтом Водных Проблем (ИБП РАН) создана математическая модель расчета процесса двухфазного сбраживания, представляющая собой программную продукцию для ЭВМ.

Апробация работы. Материалы, изложенные в диссертационной работе, докладывались на трех международных конференциях (С.-Петербург 1996, Москва 1996, Харьков 1997) и обсуждались на научно-техническом совете МГП "Мосводоканал" 03.03.1997.

Публикации. По теме диссертации опубликовано восемь печатных работ.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из пяти глав с выводами по каждой главе и общими основными выводами, содержит 199 страниц, включая таблицы и рисунки, и 57 наименований литературы.

На защиту выпосятся следующие основные положения диссертации:

• результаты экспериментальных исследований по эффективности двухфазной экстратермофильно-мезофильной технологии сбраживания осадков сточных вод и последующего обезвоживания сброженной смеси.

• рекомендуемая технологическая схема сбраживания смеси первичного осадка и сгущенного низконагружаемого активного ила

• параметры работы отдельных сооружений и всей технологической схемы в

целом

• данные о технико-экономической эффективности рекомендуемой технологии

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе дается анализ современного состояния процесса сбраживания на Московских станциях аэрации и перспективы его развития.

Основы процесса сбраживания осадков сточных вод были заложены в России С.Н.Строгановым. Исследования в этой области велись КЛ.Овсянниковой, К.Н.Корольковым, Е.М.Прейс, Л.ИГюнтер, Т.А.Карюх1шой, И.Н.Чурбановой, Н.В.Гвоздевым и др. Обширные исследования в этой области проводились также в США (Rudolfs,Heukelekian,Cleaiy и др.) и в Германии (Bach,SieipJmhoff и др.)

Согласно современным представлениям процесс биометаногенеза имеет следующие стадии:

•Стадия гидролиза (расщепления) сложных биополимерных молекул (белков, лншэдов, полисахаридов и др.) на более простые олиго- и мономеры: аминокислоты, углеводы, жирные кислоты и др.

«Стадия ферментация образовавшихся мономеров до еще более простых веществ - низших кислот и спиртов, при этом образуются также углекислота и водород,

•Ацетогенная стадия, - стадия, на которой образуются непосредственные предшественники метана - ацетат, водород и углекислота.

•Метаногениая стадия, ведущая к конечному продукту расщепления сложных OB - метану, осуществляется метанобразугощимя бактериями.

Задача интенсификации работы метантенков была поставлена в начале 70-х годов, при этом преследуются следующие цели:

- сокращение продолжительности сбраживания при достижении заданной степени распада с целью уменьшения объемов сооружений, а следовательно, капитальных затрат,

- повышение количества биогаза, выделяющегося в процессе брожения, с целью его использования для сокращения затрат на обогрев самих метантенков и дополнительного получения других видов энергии,

- увеличение содержания метана в биогазе с целью повышения его теплоты сгорания и эффективности утилизации,

- улучшение седименгационных свойств и повышение эффективности водоотдачи сброженным осадком с целью сокращения затрат на реагенты и сооружения для его обезвоживания.

В мировой практике наиболее распространенной технологией метанового сбраживания является сбраживание в мезофнльном режиме одно- или двухступенном, как вариант - с рециркуляцией твердой фазы.

Перспективные интенсивные технологии предполагают сбраживание с разделением фаз или мезофильное сбраживание с термопредобработкой.

Анализ существующей технологической ситуации и современных тенденций в области интенсификации процесса метанового сбраживания показал, что наибольший интерес для внедрения на Московских станциях могут представлять двухфазный и двухстепенный процессы, а также применение термопредобработки.

Важным аспектом является наличие механического обезвоживания осадка на мембранных фильтр-прессах. Несмотря на значительные затраты на промывку, осадок существующего качества требует высоких доз флокулянта, что существенно сказывается на стоимости обезвоживания.

Таким образом, на основании анализа современных тенденций развития технологии и состояния процесса сбраживания на Московских станциях, для исследований были выбрапы двухступенчатые и двухфазные технологии сбраживания, а также применение термопредобработки.

В главе 2 изложены методика проведения и результаты лабораторных экспериментов.

Лабораторные исследования проводились на установках, позволяющих моделировать как двухфазный, так и двухступенный процессы. Целью этой работы было определить, при каких условиях удается добиться сепарации кислой и щелочной фаз процесса метанового сбраживания, получив при этом наиболее эффективную технологию с точки зрения распада органического вещества, выхода газа и последующего обезвоживания сброженного осадка при существующем в настоящий момент качестве исходных осадков.

При этом, анализ температурных интервалов, в которых проводится термопредобработка и первая фаза процесса, показал, что эти процессы могут быть совмещены в одном реакторе. Поэтому, в ходе исследований моделировалось совмещение термопредобработки с первой фазой процесса при температурах 60 и 65 °С.

Исследовались следующие режимы работы реакторов первых фаз и первых ступеней:

Таблица 1

Режим I Температура | Время пребывания, сут

а) Полупроточные

Мезофильные 35°С 3,4

Термофильные 53 °С 55 °С 60 "С 2 2,2.5,3 2,2.5,3

Экстратермофильные 65 °С 2,2.5

б) Проточные.

Режим Температура Время пребывания, сут

Термофильные 60°С 0.3, 0.6,1

Экстратермофильные 65 °С 0.6

Также проводились контактные эксперименты при температурах 35, 55, 60 и 65 °С на исходной смеси первичного осадка и активного ила с инокулятом и без. Исследования осуществлялись в два этапа:

• Исследование работы первой ступени и первой фазы процесса, выбор режима работы для реакторов вторых ступеней и технологий, принимаемых за базовые для сравнения;

• Исследование работы реакторов вторых фаз и ступеней. Параметры работы реакторов в зависимости от режима работы первых фаз и ступеней. Исследование выделения биогенных элементов в процессе двухфазного и двухступенного сбраживания осадков сточных вод в лабораторных условиях. Исследование состава биогаза. Определение основных технологических режимов для изучения в пилотных условиях.

В результате работы на первом этапе было получено следующее:

Наибольший выход ЛЖК и степень перевода органики из твердой фазы в жидкую наблюдается при температуре 60 °С с временем пребывания 0.6 суток (ЛЖК = 833 мг/л, ХПКф= 5 г/л) и при 65 °С с временем пребывания 0.6 суток (16 часов) (ЛЖК = 1284 мг/л, ХПКф= 5,74 г/л) и 2 суток (ЛЖК = 1500 мг/л, ХПКф= 2,3 г/л). Значительная концентрация ЛЖК и гвдролизованной органики позволяет полагать, что в реакторах с температурой 60 и 65 °С проходят процессы как биологического, так и термического гидролиза.

Динамика образования ЛЖК в контактном эксперименте.

Время (час.)

Рис.!

На рисунке 1 представлена динамика образования ЛЖК при обработке смеси сьгрых осадков в контактном эксперименте с инокуляцией 30% адаптированного к соответствующей температуре ида при разных температурах. В эксперименте без инокулята наблюдалось совпадение значений пиков наработки ЛЖК при 55 и 60 °С, тогда как при его применении наработка ЛЖК при 60-65 °С вдвое больше, чем при 55 °С. Это говорит о том, что удалось получить совмещение термического и биологического гидролиза. Также, контактный эксперимент позволил определить предполагаемый режим для реактора первой фазы: 65°С при времени пребывания около 16 часов

Для реакторов второй фазы и второй ступени был выбран мезофильный режим (30"С), как позволяющий получить осадок с хорошими водоотдающими свойствами. Время пребывания, принятое в соответствии с литературными данными и исхода из объемов существующих метантенков КСА, составило 6, 8 и 10 суток. Параметры полученных режимов представлены в таблице 2.

Таблица 2

Режим 1 фаза или 1 ступень 2 фаза или 2 ступень

температура | время температура | время

д

оС пребывания, сут пребывания, сут

Двухступенные мезофильные режимы 35 4 30 6

35 4 30 8

35 4 30 10

Двухступенный термофильно-мезофильный режим 53 2 30 8

Двухфазные термофильно-мезофильные режимы 60 0.6 30 6

60 0.6 30 8

60 0.6 30 10

Двухфазные экстратермо- фильно- мезофильные режимы 65 0.6 30 6

65 0.6 30 8

65 0.6 30 10

Для сравнения результатов обработки осадка в двухфазных, двухступенных и одноступенных системах, в течение всей работы лабораторных моделей двухфазного сбраживания эксплуатировались и тестировались параллельно и контрольные одноступенные режимы: 35°С - 20 суток времени пребывания и 53°С - 10 суток времени пребывания.

В ходе исследований как двухступенные, так и двухфазные технологии работали с использованием смеси, содержащей как обычный уплотненный активный ил, так и ил, сгущенный на ленточных сгустителях с использованием флокулянта.

РЕЗУЛЬТАТЫ:

Проведенными исследованиями установлено, что при разделении фаз оптимальной температурой для первой фазы является 65°С. При этом при времени пребывания 0.5-0,7 суток совмещаются процессы биологического и термического гидролиза осадка.

Концентрация ЛЖК была высокой после первой фазы как при работе на обычной, так и на иущенной смеси. Увеличение времени сбраживания во второй фазе до 10 суг. позволило практически полностью стабилизировать процесс сбраживания, (экстратермофильно-мезофильный режим 65°С-0.6сут+30°С-10сух)

Двухступенчатые реакторы проявили большую устойчивость к повышению нагрузки. При этом при увеличении нагрузки увеличивалась концентрация ЛЖК и растворенной органики после первой ступени, а свойства осадка после второй ступени

(О

изменялись в меньшей степени, чем в одноступенчатых процессах. Таким образом, разделение процесса на ступени увеличило устойчивость технологии к колебаниям качества смеси и повышению нагрузки. При этом наиболее устойчивым режимом среди двухступенчатых схем является 35°С-4сут+30°С-6сут.

Величина распада, как на обычной смеси, так и на содержащей сгущенный активный ил, во всех экспериментах была выше для двухфазных и двухступенчатых технологий, чем для контрольных одноступенных реакторов.

При увеличении концентрации органического вещества и ЛЖК в поступающей смеси, для реактора 53-10 наблюдается ярко выраженная реакция, заключающаяся в увеличении концентрации ЛЖК более чем в 2 раза, существенном снижении щелочности и ухудшении собственных водоотдающих свойств. Лучшие водоотдающие свойства достигались в режимах 35-4+30-6 и 65-06+30-10. Для этих режимов дозы флокулянта были минимальными как в тестах на свободное стекание, так и при испытании на фильтр-прессовальной воронке.

При всех исследованных условиях не проявилось значимого различия в концентрации биогенных элементов в фильтрате осадков. Таким образом, переход на двухступенчатое или двухфазное сбраживание не приведет к увеличению нагрузки по биогенным элементам на сооружения обработки сточных вод.

По результатам исследований определены режимы для проведения пилотных испытаний технологий двухфазного и двухступенчатого сбраживания. По сумме показателей при работе на осадке с использованием сгущенного активного ила, оптимальными следует считать режимы 65-0.6+30+10 и 35-4+30-6.

В главе 3 изложены состав, методика и результаты исследований по апробации экстратермофильно-мезофильной технологии двухфазного сбраживания и первой ступени двухступенного мезо-мезофильного процесса в условиях пилотной установки.

СХЕМА ПИЛОТНОЙ УСТАНОВКИ

т Приемный овл 2Гшролизвр

3 Теплообменник нвгрввв гидрогмаерв

4 Мвтонтенк второй ступени после тгралавра 5Клнтролишйнвтантвнк.ра9отемцияпоодносту[1еннай теямалогим

Пилотная установка представляла собой две линии метантенков для проведения двухступенчатого и двухфазного (рабочая линия) и одноступенчатого сбраживания (контрольный метантенк).

На первом этапе по результатам исследований на лабораторных установках для исследований на шшотной установке первой ступени сбраживания был выбран мезофильный процесс (температура 35°С) с временем пребывания 4 суток

Результаты проведенных исследований подтвердили эффективность выбранного по лабораторным данным мезофильного режима работы метантенков 1 ступени. При этом указанный режим обеспечил распад беззольного вещества 14.8 %, степень гидролиза 1.4, концентрацию ЛЖК 988мг/л, выход газа 0.1 м3/кг.БВисх.

Сравнивая средние значения показателей качества работы лабораторных реакторов первой ступени, можно сделать вывод, что повышение нагрузки на сооружение первой ступени сбраживания приводит к уменьшению распада и дает значимое увеличение концентрации ЛЖК на выходе.

Производство ЛЖК в условиях пилотной установки оказалось более эффективным, чем в лабораторных условиях. Это явление, видимо, результат постоянной подачи на пилотный реактор свежей смеси осадков. Также, отмечено положительное влияние на выход ЛЖК перемешивания биомассы пилотного реактора, производимое мешалкой по временному регламенту.

Результаты пилотных исследований показали, что буферности среды, вызванной гидролизом достаточно для поддержания нейтральной реакции среды, и отсутствия эффекта "закисания" реактора.

На втором этапе проводилось исследование работы установки двухфазной экстратермофильно-мезофильной технологии сбраживания в полупромышленных условиях.

Для исследований первой фазы сбраживания в термофильных условиях на пилотной установке был выбран высокотемпературный процесс (температура 65°С) с временем пребывания 0.6 суток (в дальнейшем маркировка режима - 65-0.6).

Для второй фазы сбраживания на пилотной установке был выбран мезофильный режим (30°С) с временем пребывания 10 сут. (в дальнейшем маркировка исследуемого двухфазного режима - 65-0.6+30-10).

Контрольный метантенк работал в мезофильном режиме с максимальным возможным для КСА временем пребывания - 14 суток - при температуре 34-36 С°.(режим 35-14).

Распад по ХПК впервой фазе процесса 65-0.6+30-10 почти отсутствовал на всех трех исследованных температурных уровнях (40, 50 и 65°С). Распад беззольного вещества при переходе с 40 °С на 50 °С вырос с 4-6 до 8-9 % , а при переходе на 65 °С достиг 16-20%,

При сравнении распада по ХПК и БВ оказалось, что по мере стабилизации работы, распад по БВ рос и стабилизировался на величине 16-20 %, что характерно для средней величины по лабораторному реактору. В то же время, распад по ХПК оставался незначимым при всех режимах работы установки. Очевидно, значительная часть распада по БВ вызвана переходом БВ в жидкую фазу при гидролизе.

При переходе на температуру 65°С наблюдается увеличение концентрации ЛЖК, при этом результаты работы первой фазы становятся близкими для лабораторных и пилотных условий.

Выход газа, определяемый для пилотной установки по газовому счетчику, оказался на порядок ниже рассчитываемого по распавшемуся БВ. Такое различие данных объясняется тем, что для реактора первой фазы величина распада БВ, определенная стандартным методом, говорит не о распаде органики, а о ее переводе из твердой фазы в жидкую. При этом выход газа соответствует значению распада по ХПК. Полученный результат подтверждает, что в ходе исследований удалось получить

режим, позволяющий произвести разделение процесса метанового сбраживания на фазы.

Работа метантенка 1 фазы пилотной установки в оптимальном экстратермофильном режиме позволила обеспечить: распад беззольного вещества около 20 %, концентрацию ЛЖК до 1600мг/л, выход газа 0.02 м3/кг.ББисх

В пилотных условиях, при наличии перемешивания и проточного режима работы второй фазы процесса, достигнут высокий (до 65%) распад беззольного вещества. Причем, для двухфазного процесса значение распада значительно выше чем для контрольного реактора. Устойчивость режима в условиях значительного изменения свойств поступающего осадка в условиях пилотной установки так же выше для двухфазного процесса.

Наиболее преимущества двухфазной технологии проявились при работе на смеси сгущенного ила и осадка, при хорошей устойчивости процесса на ней получены наибольшие значения распада (рис 3 и 4).

ДИНАМИКА ИЗМЕНЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ЕЕЗЗОДЫЮГО ВЕЩЕСТВА В ПРОЦЕССЕ ПОЛУПРОМЫШЛЕННОГО ЭКСПЕРИМЕНТА НА ПИЛОТНОЙ УСТАНОВКЕ

Вреия эксперимента, (сп)

1. исходная смесь

2. 8ыкод пилотного контрольного реактора 35°С-14суг

3. еыход пилотного реактора второй фазы й5°С-0.бсут+30°С-10сут

а - распад бвззольного вещества 65% 6 - распад бездельного вещества 43%

в - распад ппчо.чьнш о вещества 33% г - распад бензольного вешсстр.а 30%

Рис.3

ДИНАМИКА ИЗМЕНЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ОРГАНИЧЕСКОГО ВЕЩЕСТВА ПОХПК В ПРОЦЕССЕ ПОЛУПРОМЫШЛЕННОГО ЭКСПЕИШЕНХА НА ПИЛОТНОЙ УСТАНОВКЕ

Вр<ыя >ксп«риы>нта, (ся)

1. исходная снесь

2. аыход пилотного контрольного реактора 35°С-14суг

3. выход пилотного реактора второй фазы б5°С-0.6сум-30°С-!0суг

а - распад органического вещества по ХПК- £0% й - распад органического вещества по ХПК- 50%

в-распад органического вещества по ХПК-36% г - распад органического вещества по ХПК-30%

Рнс.4

Результаты определения микробиологических активностей выявили следующие особенности в работе двухфазных реакторов:

•Наблюдается значительное повышение ацетогенной активности на второй фазе по сравнению с одноступенчатым процессом, которое является следствием повышения концентрации растворенной органики ..

•Разделение процесса на фазы увеличивает в 2-3 раза активность метаногенов па второй фазе по сравнению с одноступенчатым процессом

•При увеличении нагрузки происходит значительный рост активностей биомассы реакторов обеих фаз, что обуславливает высокую устойчивость процесса к изменению нагрузки

Совместный анализ параметров процесса и активностей биомассы, показывает механизм интенсификации процесса сбраживания при разделении фаз для выбранной схемы с экстратермофильной кратковременной первой фазой. На первой фазе процесса происходит глубокий гидролиз осадка, благодаря чему наблюдается распад БВ до 20% при минимальном распаде по ХПК и низком выходе газа. Выработка ЛЖК не превышает 1600 мг/л. Таким образом, для первой фазы наиболее важным является перевод беззольного вещества осадка и активного ила в более легко усваиваемые формы с повышением ХПК, определяемого в фугате. Данный процесс идет как за счет биологического, так и за счет термического гидролиза. На второй фазе интенсифицируется как скорость производства летучих жирных кислот, так и в три раза повышается активность метаногенов, потребляющих ЛЖК. Кроме того, значительно (в 2-3 раза) более высокие активности биомассы на второй фазе обеспечивают большую устойчивость процесса.

Распад органики по беззольному веществу и ХПК дня двухфазной технологии (от 40 до 65 % в зависимости от исходного субстрата) во всех случаях был больше, чем для контрольного одноступенчатого реактора (30-40 %), и превышал получаемый на промышленных сооружениях КСА (около 30%). Следует отметить, что в ряде случаев наблюдалось превышение распада над предельным расчетным, составляющим для КСА по СНиП 2.04.03-85 48,6%. Заложенные в СНиП представления о процессе предполагают, что предельный распад зависит только от содержания жиров, белков и углеводов в исходном субстрате. Однако, результаты ряда исследований показывают, что предельный распад зависит и от того, какие это жиры, белки и углеводы (по

степени легкости окисляемости), а также от температурных условий процесса и промежуточных продуктов по фазам.

Распространенным в мировой практике приемом для увеличения распада трудноразлагаемых веществ является предварительный термогидролиз осадка. Данный процесс проводится при температуре от 60 до 200 °С. При этом, в диапазоне температур 60-80 °С время, необходимое для термогидролиза, составляет 1-2 часа. Кроме того, при температуре 60-65 °С значительно активизируется биогидролиз трудно разлагаемых соединений, например, целлюлозы. Таким образом, температура 65°С, примененная для реактора I фазы, соответствует совместному проведению термогидролиза и активизации биогидролиза трудноокисляемых соединений.

Повышение распада органики при увеличении концентрации исходной смеси имеет объяснение в математическом моделировании смешанных популяций. Если число закрепившихся в системе видов равно числу плотностно зависимых факторов, то стационарный уровень фактора в реакторе (для данного случая, концентрация любого из субстратов) зависит только от скорости разбавления. При этом, численность каждого вида, развивающегося благодаря характерному для него фактору (для данного случая, потребляющего свой субстрат) зависит как от скорости разбавления, так и от входной концентрации фактора. Данное явление названо принципом автостабилизации факторов в хемостате.

Другими словами, при увеличении концентрации поступающих субстратов происходит увеличение концентрации видов без изменения концентрации данных субстратов в реакторе. При этом чем ближе картина к идеальной (количество видов соответствует количеству факторов среды), тем менее изменение входной концентрации сказывается на концентрациях внутри реактора.

Таким образом, для реакторов, работающих по принципу хемостата, увеличение эффективности является естественным откликом на увеличение входной концентрации веществ.

При работе пилотных и лабораторных реакторов с использованием смеси, содержащей сгущенный активный ил, зафиксированы высокие концентрации метана в биогазе (70-85% для реактора 2 фазы). Эти концентрации выше обычно фиксируемых для процесса сбраживания осадков городских сточных вод (60-70%).

Повышению концентрации метана способствовало выделение углекислого газа на первой фазе процесса и вынос СОг с обработанным осадком, т.к. метантенк второй

фазы работал при низкой температуре (30 °С) и малом для мезофилышх условий времени пребывания.

В литературе приводится подробное исследование по оптимизации первой и второй фазы процесса сбраживания на примере сбраживания крахмала. Отмечено, что состав кислых продуктов брожения первой фазы оказывает значительное влияние как на состав, так и на количество выходящего газа из второй фазы. При этом если кислые продукты первой фазы содержат пропионовую, масляную и более высокие жирные кислоты, то содержание метана в биогазе реактора второй фазы, несмотря на сбраживание углеводного субстрата, может достигать 85%. Таким образом, показано, что ход гидролиза существенным образом сказывается на составе газа, и состав газа при двухфазном сбраживании может существенно отличаться от обычных одноступенных процессов. /

Следует отметить, что для реактора первой фазы были зафиксированы значительные концентрации пропионовой кислоты и, кроме того, наличие более высоких жирных кислот, проявлявшееся как разница между титриметрически определенным ЛЖК и суммой концентраций ацетата, пропионата и бутирата, определяемых хроматографически в тех же пробах.

В главе 4 изложены методики проведения и результаты исследований водоотдающих свойств сброженных по двухфазным, двухступенным и одноступенным технологиям осадков, проводившихся в лабораторных условиях на установке безвакуумной фильтрации (свободного стекания) и лабораторной модели мембранного фильтр-пресса.

Этап 1. Как показали проведенные тесты на безвакуумную фильтрацию, наилучшую собственную (без обработки флокулянтами) водоотдачу показали осадки классического и двухступенного мезофильного режимов. Собственная водоотдача сброженного осадка КСА оказалась более чем в 4 раза хуже, чем водоотдача этих осадков.

При обработке флокулянтом водоотдающие свойства осадков, обработанных по двухфазной технологии, сравнимы со свойствами осадка, получаемого при традиционном и двухступенном мезофильном сбраживании. Можно заключить, что выбранная технология с разделением фаз позволяет получить осадок, хорошо обезвоживающийся при применении флокулянгов без применения промывки.

Этап 2. Фильтр-прессование осадков, полученных в лабораторных условиях, доказало, что:

• наилучшие водоотдающие свойства достигаются при применении сбраживания в условиях мезо-мезофильного двухступенного сбраживания или при разделении фаз в режиме 65°С-06суг+30°С-1 Осут;

• получаемые при обработке флокулянтом этих осадков флокулы имеют хорошие механические свойства;

• доза флокулянга для данных осадков без применения промывки в 1,5 раза ниже, чем для промытого и уплотненного осадка КСА, которая составляет по данной методике 4.5-6 кг/т, что соответствует дозам, применяемым на КСА.

Осадок, сброженный в мезофильных условиях при соблюдении дозы загрузки и режима перемешивания значительно превосходил сброженный осадок КСА, однако, уступал осадку, полученному при применении двухфазной технологии. Следует отметить меньшую устойчивость получаемых характеристик фильтрования.

Осадок, обработанный в термофильном режиме в условиях лабораторной установки, как и следовало ожидать, имел неблагоприятные свойства для фильтр-прессования.

Результаты проведенных исследований водоотдающих свойств одноступенно и двухфазно сброженного осадка после выхода пилотной установки на режим подтвердили эффективность выбранного по лабораторным данным экстратермофильного режима работы метантанков 1 фазы (температура 65°, время пребывания 0.6 сут) и мезофильного режима второй фазы (температура 30 °С, время пребывания 10 сут.). При высоких значениях распада и хорошей устойчивости процесса, доза флокулянга для обезвоживания сброженного осадка составила 4 кг/т без

Динамика оодоогдэчи промытыми и непромытыми сброженными на пилотной установка осадками.

Давление, (зтм)

1. Осадок сброженный по двухфазной технологии

пклотных условия х,промытый и уплотненный, обработанный Ргаеэ1о! 650 кг/т.

2. Осадок сброженный в сдноступенноы режиме 35°И4сут в пилотных условия*, промьпый и уплотненный, обработанный Рг650 0=3кг/т

3. Осадок, сброженный по двухфазной технологии б5°-0.бсут+ЗС°-1 Осут в пилотных услоёиях, без промывки, обработанный Ргае^Ы 650 0==3 кг/г.

4. Осадок; сброженный в одноетупенном режиме 35°-14суте пилотных условиях, без промывки, обработанный Рг65С 0=3кг/г

Рис.5

применения промывки и 3 кг/т с применением промывки, по сравнению с 5-6 кг/т для промытого и уплотненного осадка КСА. На рис.5 представлено влияние промывки на двухфазно и одноступенно сброженные в пилотных условиях осадки.

В главе 5 представлено технико-экономическое сравнение вариантов и предложения по внедрению в промышленных условиях двухфазной технологии сбраживания осадков сточных вод. При этом, сравнивались существующая в настоящий момент на КСА и разработанная технология с учетом последующего механического обезвоживания.

Технико-экономическим расчетом установлено, что годовой экономический эффект от внедрения технологии двухфазного сбраживания на КСА составит около 13 миллиардов рублей в год (в ценах 1997 г.)

Существующая технологическая схема подачи осадков в метантенки КСА позволяет провести реконструкцию с переходом на технологию двухфазного сбраживания с минимальными затратами, не вмешиваясь в основные трубопроводы подачи и отвода осадка.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Получен оптимальный режим сбраживания для осадков Московских станций аэрации и других станций, имеющих низконагружаемый активный ил. Разработанная технология сбраживания основана на экстратермофильном режиме работы метантенков 1 фазы (температура 65°, время пребывания 0.6 сут) и мезофильном режиме второй фазы (температура 30 °С, время пребывания 10 сут.). Наиболее преимущества двухфазной технологии проявляются при работе на высококонцентрированном субстрате (ХПКдо50г/л)

2. Доказано, что температура 65°С соответствует совместному проведению термогидролиза и активизации биогидролиза трудноокисляемых соединений. Таким образом, для обработки осадка, содержащего высококонцентрированный низконагружаемый активный ил, разделение на фазы дополнено распространенным в мировой практике приемом для увеличения распада трудноразлагаемых веществ в комбинации с интенсификацией биологического гидролиза, происходящим в диапазоне температур 60-70 °С.

3. В ходе исследований, благодаря совместному анализу параметров процесса и активностей биомассы, показан механизм интенсификации процесса сбраживания при разделении фаз для выбранной схемы с экстратермофильной первой фазой.

- 4. Распад органического вещества для двухфазной технологии (от 40 до 60 % в зависимости от исходного субстрата) во всех случаях был глубже, чем для контрольного одноступенчатого реактора (30-40 %), и превышал получаемый на КСА в промышленных сооружениях.

. 5. Показано, что при хорошей устойчивости процесса, доза флокулянта для обезвоживания сброженного по двухфазной технологии осадка составила 4 кг/т без применения промывки и 3 кг/т при промывке и уплотнении по сравнению с 5-6 кг/т для промытого и уплотненного осадка КСА.

6. Разделение процесса на фазы с применением экстратермофильной первой фазы позволило получить биогаз с высокой концентрацией метана (70-85% против обычно фиксируемых для процесса сбраживания осадков городских сточных вод 6070%).. . ,

7. По результатам проведенных исследований совместно с Институтом Водных Проблем (ИВП РАН) создана математическая модель процесса двухфазного сбраживания, позволяющая проводить моделирование двухфазных и двухступенчатых процессов с целью их проектирования и эксплуатации.

8. Технико-экономическим расчетом доказано, что годовой экономический эффект от внедрения технологии двухфазного сбраживания на КСА составит около 13 миллиардов рублей в год.

Материалы диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Savelieva L., Epov А. "Investigations two steps and two phase anaerobic digestioa for improved mechanical dewatering of digested Sludge at Kurianovskaya WWTP"/ European Environmental Research Organization., Konf. "Methanogenesis for sustainable environmental protection", June 19-21,1996. St-Petersburg, Russia/

2. Савельева JI.C, Эпов A.H. "Обработка осадков методом двухступенчатого сбраживания с интенсификацией биологического удаления азота и фосфора из сточных вод"/ Материалы Второго Международного конгресса "Вода: экология и технология" ЭКйАТЭК-96, 17-21 сентября 1996 года/

3. Вавилин ВА., Эпов А.Н., Савельева Л.С. "Применение математического моделирования для расчета двухфазного процесса сбражнвания'ТВодные ресурсы, 41998/

4. Афанасьева А.Ф., Сирота М.Н., Савельева Л.С., Эпов А.Н., "Очистка хозяйственно-бытовых сточных вод и обработка осадков"/ «Изограф»Д997/.

5. Эпов А.Н. Савельева Л.С. "Разработка технологии двухфазного сбраживания для Курьяновской станции аэрации."/ Материалы Международного конгресса ЭТЭВК-97,15-19 апреля 1997 г., Украина/

6. Савельева Л.С. «Двухфазные технологии - перспективное направление повышения эффективности процесса анаэробного сбраживания осадков» /Экспресс-информация ВИНИТИ, серия «Ресурсосберегающие технологии», 1998 №12, стр. 10-20/

7. Савельева Л.С., Данилович ДА., Николаев В.Н. «Двухфазная технология анаэробного сбраживания осадков городских сточных вод» / «Водоснабжение и сантехника», 1998, №10/

8. Савельева Л.С. « Двухфазные технологии - перспективное направление анаэробного сбраживания осадков» / ВИНИТИ, Научно-технические аспекты охраны окружающей среды, 1998, №5/