Биохимические методы переработки и использования отходов производства и потребления

Применительно к переработке и утилизации отходов невозможны как понятие биологические или биохимические процессы. По существу биологический процесс представляет собой совокупность множества физических, химических, физико-химических и биохимических превра­щений, одновременно протекающих в субъекте живой природы, кото­рые в течение определенного времени обеспечивают жизнедеятельность этого субъекта, включающую и воспроизводство потомства. Преобладают методы сбраживание в метантеках с получением метана для производства тепла и энергии, отстаивания в иловых или песковых площадках, биологическое разрушение в биобарабанах.

На практике получили распространение две принципиальные технологические схемы сбраживания — одноступенчатое и двух- или мно­гоступенчатое сбраживание (рисунок). Одноступенчатые метантенки сначала применялись как низконагружаемые. Они имеют продолжи­тельность сбраживания 30—50 сут. и нагрузки по беззольному веществу 0,7—1,3 кг/м³ и работают практичес­ки без перемешивания с небольшим подогревом. В этих условиях в них достигаются довольно глубокий рас­пад органического вещества загру­жаемого осадка (до 50 %), хорошее расслоение осадка и его уплотне­ние в нижней части резервуара, а также появляется возможность от­деления иловой воды и уменьше­ния объемов сброженных осадков.

Большие объемы низконагружаемых метантенков и связанные с этим высокие строительные стоимо­сти заставили перейти к высоконагружаемым метантенкам, в которых интенсификация процесса достига­ется за счет хорошего подогрева осадка, создания систем непрерыв­ного перемешивания для равномер­ного распределения осадка и улуч­шения контакта микроорганизмов со сбраживаемым субстратом.

а — одноступенчатое сбраживание;

б — двухступенчатое сбраживание;

1 — загрузка осадка;

2 — метантенк I ступени; 3— биогаз;

4 — теплоноситель;

5 —выгрузка осадка из метантека I ступени;

6 — метантенк II ступени;

7— выгрузка сброженного осадка

Рисунок - Принципиальные схемы анаэробного сбраживания

Одним из факторов, повышающих на­грузку на метантенк, явилось предварительное концентрирование заг­ружаемого осадка. Гидравлическое время пребывания в таких метантенках обычно составляет от 15 до 20 сут.

В высоконагружаемых метантенках не происходит расслоения осад­ка и отделения иловой воды. В свя­зи с этим большинство зарубежных проектов предусматривает примене­ние метантенка II ступени, т. е. пе­реход на двухступенчатое сбраживание.

Компоновка в два, три и четыре ме­тантенка обеспечивает анаэробное мезофильное или термофильное сбраживание осадков сточных вод типового ряда станций биологичес­кой очистки производительностью от 50 до 800 тыс. м³/сут. сточных вод.

Технологической схемой предусматривается равномерная загрузка осадка во все резервуары метантен­ков по напорному трубопроводу. Одновременно с загрузкой исходно­го осадка под гидростатическим давлением происходит выгрузка из метантенка сброженного осадка.

В основе двух- и многоступен­чатого сбраживания лежит разделе­ние процесса на стадию интенсив­ного брожения с бурным выделе­нием биогаза, предотвращающим расслоение осадка (I ступень), и ста­дию затухания процесса, на которой прекращается газовыделение и про­исходят расслоение осадка и отде­ление иловой воды (II ступень).

Эффективные технологические схемы анаэробного сбраживания осадков, как правило, должны пре­дусматривать рекуперацию теплоты сброженного осадка и подогрев осадка, подаваемого в метантенк с помощью внешних теплообменни­ков (рис. 3.2). По сравнению с при­меняемой в настоящее время в на­шей стране схемой с нагревом осад­ков острым паром, подаваемым в метантенк через паровой инжектор, указанная схема имеет следующие преимущества: сокращение затрат теплоты на процесс; исключение возможности перегрева осадка в метантенке; предотвращение потерь конденсата и разбавления им осад­ка в метантенке; возможность до­полнительного обеззараживания осадка при мезофильном сбражи­вании.

В качестве теплообменных аппа­ратов обычно применяют спираль­ные теплообменники типа «Осадок-—осадок» и «осадок—вода», просто­та конструкции и эксплуатации ко­торых обусловили широкое исполь­зование этих аппаратов.

1 — осадок до сбраживания;

2 — паровой инжектор;

5 — метантенк;

4 — теплообменник «оса­док—осадок»;

5 — пар; 6 — биогаз 7— котельная;

8 — горячая вода; 9 — теплообменник «оса­док—вода»;

10 — охлажденная вода;

11 — подогретый осадок;

12 — сброженный осадок

Рисунок - Принципиальная схема подогрева осадка для анаэробного сбраживания

Основными способами интенси­фикации технологии первого на­правления является повышение температуры сбраживания и эффек­тивности перемешивания осадка в метантенке, переход на его непре­рывную загрузку и выгрузку, двух- и многоступенчатое сбраживание, при котором вторая и последующие ступени используются для отделе­ния иловой воды и уменьшения объема сброженного осадка, и, на­конец, повышение концентрации осадков и биомассы микроорганиз­мов в метантенке.

Наибольшее применение полу­чили аэробно-анаэробные процес­сы.

Предварительная аэроб­ная обработка в течение 1—2 сут. перед анаэробным сбраживанием оказывает значительное влияние на общий итог стабилизации по вы­ходу газа и снижению концентра­ции органического вещества. Про­дувание в течение этого времени осадка на I ступени снижает кон­центрацию органического вещества и тем самым нагрузку на II анаэ­робную ступень.

Удовлетворительные результаты по обеззараживанию осадков, а так­же по достижению хороших водоотдающих свойств обеспечиваются при использовании анаэробно-аэробных процессов. В ре­акторе I ступени осуществляется анаэробный мезофильный процесс с продолжительностью пребывания осадка от 3 до 20 сут., а в реакторе II ступени дальнейшее аэробное разложение с выделением теплоты и саморазогреванием осадка до t = =50 °С. При такой схеме сбражива­ния не достигается фазовое разде­ление процесса, поскольку в метантенк поступает осадок без предварительной обработки.

Анаэробный реактор работает как обычный од­ноступенчатый метантенк, в кото­ром при длительном сбраживании может быть достигнута глубокая стабилизация органического веще­ства осадка с высоким выходом газа, на что требуются большие объемы сооружения. При более ко­ротком времени пребывания про­исходит неполное сбраживание осадка и наблюдается потеря 15— 20 % биогаза.

Применяемые в течение дли­тельного времени конструкции матантенков, в которых были реали­зованы указанные выше схемы сбра­живания, представляли собой желе­зобетонные или стальные верти­кальные резервуары цилиндричес­кой формы с жестким перекрыти­ем и коническим или плоским дни­щем.

Иловые площадки (ИП) пред­назначены для естественного обез­воживания и биохимической стаби­лизации осадков, образующихся на очистных канализационных станци­ях. Несмотря на внедрение механи­ческих, тепловых и других способов обработки осадков, ИП различных типов и модификаций широко при­меняются и в нашей стране, и за рубежом как в качестве основных сооружений для подсушки осадков, так и в качестве резервных площа­док при применении искусственных методов обезвоживания.

Известны различные типы ИП, классифицируемых в зависимости от технологии процесса подсушки осадка и от вида устраиваемого ос­нования: на естественном основа­нии (без дренажа, с дренажем), на искусственном основании (песчано-гравийном, асфальтобетонном), с отстаиванием и поверхностным уда­лением иловой воды, иловые пло­щадки-уплотнители и др.

Технология подсушки осадка на ИП разделяется на два этапа: удаление иловой воды, способной фильтроваться через основание карт или отстаиваться; естественное под­сыхание осадка в результате испа­рения. Осадок, как правило, подсушива­ется до влажности не более 70—80 %. Дальнейшее его хранение па ИП нецелесообразно, так как при этом происходит дображивание осадка и увеличение его зольности.

Практика эксплуатации ИП в условиях средней полосы РФ пока­зала, что работают они недостаточ­но эффективно. Одним из возмож­ных методов, ускоряющих есте­ственную сушку осадка на ИП, яв­ляется процесс ворошения. При этом удаляется растительный по­кров и разрушается поверхностная корка, что способствует ускоренному подсыханию осадка в теплое су­хое время и более глубокому промораживанию в зимнее.

Иловые площадки на естественном основании допускается про­ектировать на хорошо фильтрую­щих грунтах (песок, супесь) при за­легании грунтовых вод на глубине не менее 1,5 м от поверхности карт и только в тех случаях, когда до­пускается фильтрация иловой воды в грунт.

Иловые площадки-уплотнители Иловые площадки-уплотнители рекомендуется предусматривать для осадков, способных хорошо расслаи­ваться и легко отдавать иловую воду (сточные воды мясокомбинатов или близкие к ним по составу стоки). Средняя влажность осадков, посту­пающих на иловые площадки-уп­лотнители, не должна, как правило, превышать 95,9 %.

Иловые площадки-уплотнители представляют собой прямоугольные железобетонные резервуары (кар­ты) с отверстиями, расположенны­ми в продольной стенке на разных глубинах и перекрытыми шибера­ми.

Для обезвоживания песка, по­ступающего из песколовки, в соста­ве очистных сооружений предусмат­риваются песковые площадки (ПП), представляющие собой карты с ог­раждающими валиками высотой 1— 2 м, оборудованные шахтными во­досбросами для отвода отстоявшей­ся воды. Удаляемая вода направля­ется в начало очистных сооружений. Нагрузку на ПП надлежит при­нимать не более 3 м³/(м²•год) с учетом периодической вывозки подсушенного песка в течение года.

На всех отечественных мусороперерабатывающих заводах процесс аэробного биотермического компо­стирования ведется в биотермичес­ких барабанах, который представляет собой сварной стальной ци­линдр, установленный на двух (КМ-101 А) или трех (КМ-102Б) роликоопорах с уклоном в сторону разгру­зочного устройства.

Оси роликов современных биоба­рабанов вращаются в подшипниках качения (в первых сериях — в под­шипниках скольжения). От продоль­ного смещения биобарабан удержи­вают упорные ролики, установленные на одной опоре (ближайшей к разгру­зочному устройству). Биобарабан мо­жет вращаться с двумя скоростями.

На большой скорости вращение осуществляется от двигателя глав­ного привода через цилиндричес­кий редуктор на промежуточную опору и на малую шестерню, входя­щую в зацепление с венцовой шес­терней барабана, на малой скорос­ти — через двигатель вспомогатель­ного привода и дополнительный ци­линдрический редуктор. В загрузочной части корпуса приваре­ны полосы в виде шнека для луч­шего извлечения материала из за­грузочной головки. Разгружают ма­териал через разгрузочное устройство, оборудованное сегментным затвором. Поворот штор сегментного затвора осуществляют приводами, укреплен­ными на корпусе биобарабана.

Для аэрации компостируемого материала биобарабан КМ-101А снаб­жен двумя, а биобарабан КМ-102Б — четырьмя разводящими воздуховода­ми, в которые вентиляторами подает­ся воздух. Вентиляторы-наездники смонтированы на корпусе биобараба­на и вращаются вместе с ним. Нагрев воздуха обеспечивают нагревательны­ми элементами типа ТЭН.

29-30 Классификационная харак­теристика сырья и технологий промышленных производств

Анализ технологических процессов показывает, что, несмотря на их разнообразие, в них есть устойчивые и постоянные элементы: природные ресурсы, сырье и энергия.

Природные ресурсы - материальные элементы природы, кото­рые вовлекаются в переработку при достигнутом уровне технологии.

Сырье (вещество) и энергия являются важнейшей составной частью при­родных ресурсов, общая классификация которых представлена на рисунке 1.

Сырье составляют исходные материалы неживой природы, растительного и животного мира на стадии до их промышленной и сельскохозяйственной переработки или использования. Из вещественной части природных ресурсов во всех техноло­гических процессах наряду с сырьем всегда участвуют также вода и воздух.

Рисунок 1 – Классификация ресурсов

Специфическую группу составляет часть сырья с неоднознач­ными функциями. Имеются в виду нефть, газ, уголь и т.п. С одной стороны, они являются сырьем для перерабатывающей промышленно­сти (органический синтез, коксохимия и т.д.), а с другой - служат источником энергии (топливом) для различных технологических про­цессов и бытовых нужд. Эти так называемые горючие полезные ископаемые.

Все технологические процессы сопровождаются также затра­той или выделением энергии, взаимным превращением одного вида энергии в другой.

Современное производство характеризуется разнообразием пе­рерабатываемого сырья. Объем этого понятия в известной степени условен, так как в конкретные исторические периоды ограничен по­требностями и экономическими возможностями народного хозяйства иметь новые виды природных и сельскохозяйственных материалов, возникновением и развитием новых отраслей.

Разработано несколько классификаций перерабатываемого сы­рья (по химическому составу, генезису, т.е. происхождению и т.д.).

По химическому составу его делят на неорганическое и органическое.

Неорганическое сырье составляют вещества неживой природы (минеральные вещества), органическое- сырье растительного и живот­ного происхождения.

Минеральное сырье относится к разряду важнейших. В на­стоящее время насчитывается почти 2500 минеральных веществ, от­личающихся друг от друга составом, физическими свойствами, фор­мой кристаллов и прочими характеристиками.

Россия имеет значительные месторождения минерального сы­рья, в частности занимает первое место в мире по разведанным запа­сам железных руд, асбеста, калийных солей, поваренной соли и других материалов.

Характеристика отдельных видов минерального сырья приводится при описании тех или иных технологических процессов. Минеральное сырье относится к числу невозобновляемых. Растительное и животное сырье перерабатывается в про­дукты питания (сырьевое сырье) и в продукты промышленного и бы­тового назначения {техническое сырье).

Источником растительного и животного сырья являются во­зобновляемые ресурсы естественной среды обитания: земельные, лес­ные и водные.

Особенностью многих видов животного и растительного сырья является сезонность поступления, поскольку оно в основном собирает­ся и используется в определенное время года. Другая особенность со­стоит в том, что при хранении изменяются свойства, поэтому вопросы сохранности запасов животного и растительного сырья столь же важ­ны, как и проблемы его переработки. Многие виды этого сырья перед поступлением в производство сортируют, очищают и перебирают. Тем не менее потери его могут быть достаточно велики. Их можно зна­чительно снизить, о чем свидетельствует опыт ведущих промышлен­ных и сельскохозяйственных стран, в которых потери аналогичного вида обычно не превышают нескольких процентов.

Топливом называют органические вещества или их компонен­ты, способные при взаимодействии с кислородом поддерживать само­произвольный процесс горения с выделением большого количества тепла. В этом своем качестве топливо имеет огромное народнохозяйст­венное значение. Оно является энергетической базой всех отраслей промышленности, сельского хозяйства, коммунально-бытового сектора.

Разработано несколько классификаций топлива.

По агрегатному состоянию топливо подразделяется на твер­дое (угли, торф, древесина, сланцы), жидкое (нефть и нефтепродук­ты), газообразное (природный и попутный газ и т.д.).

По генезису топливо делят на естественное и искусствен­ное, т.е. полученное при переработке естественного топлива или в ка­честве побочного продукта различных технологических процессов (доменного, коксового производств и др.).

Естественное топливо представлено в основном группой горю­чих полезных ископаемых, в которую входят все его виды за исключе­нием растительного (древесина, солома и т.п.). Горючие полезные ископаемые относятся к числу невозобновляемых источников топлива.

Искусственные виды топлив (получение, свойства) описываются в соответствующих технологических разделах курса.

В общей стоимости мировой добычи минерального сырья на топливо приходится 75%. Топливно-энергетический баланс (соотношение между различными видами горючих полезных ископае­мых) с течением времени непрерывно изменяется. В начале XX в. главную роль играл уголь (более 90%). С середины столетия стали широко использоваться более эффективные виды энергетического сы­рья (нефть и газ), в связи с чем доля угля в топливно-энергетическом балансе снизилась до 30%.

Наметившаяся тенденция возрастания доли угля в топливно-энергетическом балансе объясняется не только геополитическими сооб­ражениями, но и долговременными тенденциями развития мировой экономики. Запасы угля во много раз превышают нефтяные и газо­вые. В общих геологических запасах, залегающих до глубины 1800 м, они оцениваются в 12,8 трлн т условного топлива и составляют око­ло 85%. Уголь рассматривается как надежный источник энергии и химического сырья на многие столетия.

К твердым горючим ископаемым относят уголь, горючие сланцы и торф.

Вещественный состав твердых горючих ископаемых разнооб­разен. Определяют его техническим и элементным анализом, который в сумме составляет полный анализ топлива.

Под элементным анализом твердого топлива понимают со­держание в его горючей массе основных элементов: углерода, водоро­да, кислорода, азота и серы. Они присутствуют во всех видах твер­дого топлива, образуя сложные соединения, состав которых в боль­шинстве случаев не установлен. Содержание других элементов в го­рючей части топлива незначительно и привлекает внимание лишь в специальных случаях. Например, фосфор - вредная примесь в метал­лургических углях.

В зависимости от назначения вода подразделяется на про­мышленную и питьевую. Для питьевой воды главными критериями являются токсич­ность примесей, количество находящихся в ней микробов, запах, цвет, вкус. Для промышленных вод основными показателями служат об­щее содержание солей, жесткость, количество растворенных газов и механических примесей. Наиболее важное значение для них имеет же­сткость воды, обусловленная присутствием солей кальция и магния.

Все технологические процессы в промышленности связаны с затратой или выделением энергии. Она используется на всех этапах природопользования, всех стадиях технологического процесса.

Основными видами применяемой энергии являются механиче­ская, электрическая, тепловая. Главная особенность энергии - взаимо­превращение одного ее вида в другой.

Механическая энергия (потенциальная и кинетическая) для непосредственного выполнения работы в настоящее время использует­ся относительно редко. Примерами тому служат: помол зерна на во­дяной мельнице, работа часового механизма за счет энергии сжатой пружины, процессы механической обработки изделий и хозяйственные работы за счет мускульной энергии человека (сверление, резка и т.д.).

Основной недостаток механической энергии заключен в труд­ностях, связанных с ее передачей на значительные расстояния. Для этого обычно используют различные зубчатые механизмы и трансмис­сии. Поэтому механическую энергию зачастую превращают в более удобные для передачи и ис­пользования формы, прежде всего в электрическую.

Электрическая энергия - наиболее технологичный вид энер­гии, широко применяемый в народном хозяйстве. Она легко превра­щается в другие виды энергии и передается на значительные расстоя­ния. Наиболее существенный недостаток электроэнергии - необхо­димость ее использования или превращения в другие виды энергии непосредственно в момент получения. Этот недостаток на современном уровне развития науки и техники представляется уже принципиально преодолимым в свете открытия явления сверхпроводимости и создания материалов, в которых она сохраняется при температурах, все более приближающихся к обычным.

Тепловая энергия широко применяется для выработки элек­троэнергии и непосредственно в технологических процессах (нагревание, сушка, плавление, выпаривание), для отопления и других коммунально-бытовых нужд. Обычно источником тепловой энергии является теплота сгорания топлива, но могут быть использованы и другие реакции, протекающие с ее выделением.

В качестве теплоносителей используют пар, горячую воду, то­почные газы, металлические расплавы и т.п. К недостаткам тепловой энергии относится невозможность пе­редачи ее на дальние расстояния из-за значительных потерь в окру­жающую среду.

Все источники энергии по степени их воспроизводимости де­лят на невозобновляемые (горючие полезные ископаемые, ядерное топливо) и возобновляемые (энергия воды, ветра, солнца, морских приливов, геотермальные источники и т.д.). В настоящее время подав­ляющая часть энергии вырабатывается из невозобновляемых источни­ков, запасы которых исторически ограничены.

Важнейшими критериями промышленной ценности полезных ископаемых являются:

1) качество и количество минерального сырья;

2) технологические свойства минерального сырья;

3) горно-геологические условия эксплуатации месторождений;

4) географо-экономическое положение месторождений.

Качество руд определяется прежде всего их вещественным (химическим и минералогическим) составом, содержанием полезных компонентов и вредных примесей. Содержание компонентов выража­ется в процентах массы в расчете на воздушно-сухое состояние.

Полезными считаются компоненты, извлекаемые в товарный продукт, а вредными - препятствующие этому извлечению на различ­ных стадиях переработки или ухудшающие потребительские свойства конечного продукта. Вредные примеси существенно снижают качество полезного ископаемого.

По содержанию полезного компонента с учетом требований промышленности и существующих технологий переработки различают богатые, рядовые и бедные полезные ископаемые.

Богатые руды обычно хорошо перерабатываются и требуют меньшего количества обогатительных операций.

Рядовые руды требуют обязательного обогащения, иногда многостадиального. Переработка бедных руд на данном уровне развития техники находится на мини­мальном уровне рентабельности или нерентабельна.

Качество сырья существенно повышается, когда в его составе присутствуют несколько извлекаемых компонентов. Если они сопоста­вимы по ценности, то минеральное сырье называют комплексным.

Кроме основных полезных компонентов, в минеральном сырье часто присутствуют сопутствующие полезные компоненты, содержа­ние которых недостаточно для их экономически оправданного извлече­ния в самостоятельных технологических переделах.

Количество минерального сырья определяется его массой. Промышленное использование минерального сырья целесообразно только в тех случаях, когда его запасы превышают некоторый мини­мальный предел.

Технологические свойства минерального сырья включают ряд характеристик, наиболее важные из которых:

1) минералогическая (минеральный состав сырья, форма и раз­меры зерен минералов, характер их срастания друг с другом и с пус­той породой и т.д.);

2) физические свойства (твердость, хрупкость, плотность и т.п.);

3) химический и минеральный состав,

4) физические свойства вме­щающих пород.

Дата добавления: 2014-01-04