Процесс очистки сточных вод молочного предприятия

Биогаз

Введение

Большая часть сточных вод образуется в молочной промышленности в результате очистки транспортных трубопроводов и оборудования между производственными циклами, очистки автоцистерн, промывки молочных бункерных башен, а также по причине неполадок при работе оборудования или ошибок в управлении. Сточные воды молочных предприятий перерабатывают с помощью физико-химических и биологических методов очистки.

Однако, из-за высоких затрат на реагенты и недостаточно интенсивного снижения ХПК растворимых загрязнителей при физико-химических процессах очистки, как правило, предпочтительнее использовать биологические процессы. Из биологических процессов для очистки сточных вод молочной промышленности часто применяется очистка в прудах-накопителях, в установках для переработки активированного ила или анаэробная очистка.

По причине низкого показателя химического потребления кислорода (ХПК) (менее 3000 мг O2/л) и низкой температуры сточных вод (<25°C) в этом случае, для очистки сточных выбирается аэробная очистка. На втором этапе будет проводиться переработка шлама в реакторе для восстановления шлама с образованием биогаза. Полученный таким образом биогаз будет использоваться в комбинированных генераторах теплоэлектроцентрали.

Общее описание технологического процесса

Установка по очистке сточных вод (УОСВ) перерабатывает сточные воды от молочного предприятия. Сточные воды молочного предприятия, очищенные от грубых твердых примесей, насосом подаются в смесительный уравнительный бассейн, находящийся на территории УОСВ.

Затем сточные воды молочного предприятия подаются на установку флотации. После чего они проходят следующий этап очистки - биологическую очистку в аэротенке, которая включает в себя Bio-P, денитрификацию (удаление азота), нитрификацию (окисление до получения нитратов), дегазацию (удаление газов) и окончательное осветление. Стоки из вторичного отстойника собираются в резервуаре сбора очищенных сточных вод и далее сбрасываются в ручей.

Флотационный ил и избыток активированного ила после сгущения в метантенке поступает в резервуар-накопитель, откуда шнековыми насосами подаётся на шнековый пресс, где происходит обезвоживание осадка. Обезвоженный шлам в дальнейшем используется в сельском хозяйстве.

Биогаз, полученный при перегнивании ила, используется на теплоэлектроцентрали или в бойлере для получения тепла и электроэнергии, которая применяется, в основном, для собственных нужд УОСВ.

Работа УОСВ состоит из следующих технологических этапов:

• Предварительная механическая обработка сточных вод молочного предприятия на самом предприятии;
• Смешивание и гомогенизация;
• Флотация растворенным воздухом;
• Обработка активным илом: Bio-P, денитрификация и нитрификация;
• Дегазация;
• Вторичное отстаивание;
• Уплотнение биологического ила и смешивание его с флотационным илом;
• Сбраживание осадка;
• Обезвоживание осадка;
• Накопление биогаза;
• Генерирование энергии и тепла на теплоэлектроцентрали;
• Распределение тепла;
• Генерирование тепла;
• Станции дозирования: хлорид железа, каустическая сода, органический полимер, пеногаситель, гипохлорит натрия.

Предварительная механическая обработка (сточные воды молочного предприятия)

Самый первый этап предварительной механической обработки сточных вод молочного предприятия осуществляется на самом предприятии. Сточные воды молочного предприятия попадают на комбинированную установку ROTAMAT® Ro5 plant. Она представляет собой комбинированное устройство механической очистки сточных вод, состоящее из барабанной решётки и горизонтальной песколовки, устройства обезвоживания, уплотнения и отгрузки механических отбросов – песка и крупных примесей.

Спрессованные отходы сгружаются в контейнер или в мешки для дальнейшей утилизации, что снижает образование неприятных запахов и предотвращает поломки насоса по причине его засорения.

После очистки от грубых твердых примесей сточные воды молочного предприятия попадают в резервуар-накопитель с установленными в нём двумя погружными насосами с частотными преобразователями (1+1) и уровнемером.

Эти насосы перекачивают сточные воды молочного предприятия по длинному трубопроводу (около 2 км, выполняется заказчиком), в смеситель-усреднитель, находящийся на территории очистных сооружений.

Смеситель-усреднитель (буферная ёмкость)

Сточные воды молочного предприятия после очистки от грубых твердых частиц поступают в смеситель-усреднитель, где происходит выравнивание расходов и гомогенизация в течение 6 часов (время указано приблизительно и зависит от среднего расхода воды). Основная функция этого резервуара, именуемого также буферным бассейном, состоит в выравнивании пиковых значений параметров химического состава и гидравлического расхода.

Помимо обычной сточной воды молочного предприятия в этот смеситель-усреднитель также двумя погружным насосами перекачиваются сточные воды из приямка аварийного перелива (находится в производственном здании). В этот приямок поступает аварийный сброс с двух резервуаров и вода, собранная через дренажную систему пола в производственном здании.

Данный буферный бассейн снабжен погружной мешалкой, которая обеспечивает полное перемешивание воды в объеме бассейна в целях устранения возможности образования анаэробных условий и неприятных запахов. Также имеется прибор измерения уровня, который передает сигналы, необходимые для запуска и остановки двух подающих насосов, перекачивающих воду из смесителя-усреднителя на флотатор.

Флотация растворенным воздухом

Процесс флотации состоит в том, что молекулы нерастворенных частиц прилипают к пузырькам воздуха и всплывают вместе с ними на поверхность воды. Успех флотации и значительной степени зависит от величины поверхности пузырьков воздуха и от площади контакта их c твердыми частицами. Для повышения эффекта флотации в воду вводят реагенты.

Из смесителя-усреднителя сточная вода с нейтральным значением рН (рН около 7) при помощи насосов подается на флотационную установку. Перед попаданием на флотатор сточные воды молочного предприятия проходят через трубчатый флокулятор, где происходит дозирование таких химических веществ, как NaOH, FeCl₃ и полиэлектролит.

До 30% объема стока рециркулирует и поступает обратно для создания необходимого давления воды. Многоступенчатый центробежный насос создает давление порядка 6 бар. Компрессор подает сжатый воздух (> 12 %) на ротор насоса, который создает маленькие пузырьки с большой общей поверхностью, предназначенные для быстрого насыщения воды. Насыщение воды воздухом завершается в трубчатом реакторе.

Насыщенная вода проходит через один клапан сброса давления, в котором при резком сбросе давления воды, насыщенной воздухом, образуются микроскопические пузырьки с диаметром от 20 до 40 мкм. В трубе для подачи эти микроскопические пузырьки тщательно перемешиваются с входным потоком воды, подлежащей очистке, таким образом, что все твердые вещества вступают в тесный контакт с достаточным количеством микропузырьков. Размер пузырьков можно легко регулировать, что позволяет значительно снизить вероятность образования крупных пузырьков, способных снизить эффективность процесса флотации. Образующийся на поверхности слой флотационного шлама удаляется при помощи вращающегося лопастного и направляется в сборный резервуар флотошлама.

Установленные в отстойнике пластинчатые модули значительно увеличивают площадь эффективной седиментации, позволяя достигать более высоких гидравлических нагрузок и не требуя при этом увеличения размеров установки. Использование такой модульной конструкции на установке позволяет уменьшить требуемое для седиментации расстояние. Неспособные к осаждению вещества образуют более крупные хлопья на тыльной стороне пластин и всплывают на поверхность бака в виде хлопьеобразной массы. Шлам оседает на поверхности и собирается в донной части отстойной камеры, откуда он через определенные контролируемые промежутки времени отводится под действием собственной силы тяжести. Изменение уровня флотации, а, следовательно, и глубины погружения шабера возможно за счет регулируемого измерительного водослива, расположенного на отводящем трубопроводе резервуара для хранения очищенной воды.

Флотационный шлам собирается в резервуар-накопитель флотошлама (изготовленный из полипропилена), находится непосредственно возле флотатора. Этот резервуар снабжен уровнемером и двумя эксцентрическими шнековыми насосами, которые перекачивают флотационный шлам в резервуар-накопитель шлама.

Очищенная вода из сливного лотка флотатора самотеком поступает в резервуар-накопитель (изготовленный из полипропилена). Этот бак снабжен уровнемером и двумя центробежными насосами. После этого предварительно очищенные сточные воды поступают на аэробную ступень очистки (в аэротенк).

Аэробная очистка

Биологическая ступень позволяет произвести глубокую очистку сточных вод от органики, азота, фосфора. Помимо удаления углеводородов в аэротенке происходит разложение азотных соединений. Для этого резервуар смеси сточных вод с активным илом разделен на две зоны: зона нитрификации и зона денитрификации. Для денитрификации в качестве источника углерода используется сточная вода с определенным показателем ХПК. При соблюдении определенных технических условий можно достичь 80%-го удаления азота.

Аэротенк состоит из трёх стальных резервуаров, расположенных как бы один в одном. Резервуар денитрификации является промежуточным и имеет общие стенки с двумя другими резервуарами – Bio-P и резервуаром нитрификации. Процесс нитрификации происходит в наружном резервуаре.

Денитрификация

В процессе денитрификации оборотный нитрат (NO₃), находящийся в резервуаре для нитрификации, восстанавливается до чистого азота (N₂).

Два различных потока сточных вод - поток сильно загрязненной сточной воды (как источник углерода для денитрификации) и возвратный ил поступают в резервуар денитрификации. Эта предварительная денитрификация позволяет использовать биологические примеси сточной воды с определенным показателем БПК в качестве источника углерода для биологического процесса очистки.

Этот резервуар снабжен погружной мешалкой с низкой скоростью вращения, обеспечивающей однородное перемешивание для получения одинаковых параметров жидкости в нем. Прибор для измерения окислительно-восстановительного потенциала (ОВП) позволяет контролировать процесс денитрификации.

Чтобы получить высокую степень денитрификации (до 90%), следует получить уровень рециркулирования сточных вод равный примерно 800%. Это внутреннее рециркулирование обеспечивается погружным циркуляционным насосом с двигателем с регулируемой частотой. Биомасса восстанавливает нитраты до газообразного азота.

Пройдя полный круг сточные воды через переливную перегородку попадают в резервуар нитрификации.

Bio-P

С помощью рециркуляционного насоса смесь сточных вод и шлама перекачивается из резервуара денитирификации в так называемый резервуар Bio-P. Здесь происходит анаэробный процесс. Микроорганизмы попадают в так называемое шоковое состояние, при котором они имеют много пищи, но не имеют поступления кислорода. Чтобы выжить в этих условиях им приходится отдавать фосфор из клеток, тем самым обеспечивая себе приток энергии. Далее сточные воды перетекают в отсек денитрификации.

Нитрификация

Этот наружный резервуар имеет самый большой диаметр и является аэробным реактором. В резервуаре нитрификации аммиак (NH₄) окисляется до нитрата (NO₃), и удаляются остатки углеводородов и биологических примесей. Активный ил преобразует остатки углеводородов и биологических примесей (т.е. остатки био-разложимых органических примесей сточной воды) в воду и углекислый газ (CO₂). Часть этих остатков используется для питания микроорганизмов в активном иле и таким образом превращается в новую биомассу. Преобразование органических компонентов и окисление аммиака происходит с помощью кислорода, который подается в систему тремя гибридными компрессорами с регулируемой частотой (2+1).

Кислород подается в сточную воду с помощью системы аэрации со средним размером пузырьков (тип Aerofit-V), установленной в нижней части реактора. Система состоит из 8 симметрично расположенных решеток (2 секции по 4 решётки) из нержавеющей стали, снабженных аэраторами. Воздух подаётся воздуходувками по 2 трубопроводам, от которых распределяется на 2 трубопровода меньшего диаметра и подводится к 2 решёткам. В рабочем состоянии находятся 2 воздуходувки, третья является резервной. Каждая секция соединена с одним из двух приборов управления подачей кислорода и одним из трех воздуходувок так, что она может работать отдельно от другой секции. Все воздуходувки снабжены частотными преобразователями. Резервуар нитрификации также снабжен устройством для измерения уровня кислотности pH и температуры, предназначенным для повышения уровня контроля процесса очистки активным илом.

Дегазация

Для эффективного насыщения кислородом высота уровня воды в аэротенке составляет примерно 8 м. Высота уровня воды во вторичном отстойнике составляет примерно 4 м, поэтому резервуар для дегазации используется для удаления растворенного кислорода и предотвращения флотации окончательного осадка.

Дегазация происходит в открытом стальном резервуаре. Сточные воды поступают туда по тангенциально расположенному трубопроводу диаметром 400мм.

Вторичный отстойник

Шламовая смесь из камеры дегазации самотёком по подземному трубопроводу поступают во вторичный отстойник, в котором шлам отделяется от воды. Примерно 2/3 этого ила состоит из микроорганизмов, которые требуются для удаления примесей из сточной воды. Шлам оседает на дно вторичного отстойника при значительном уменьшении скорости течения.

Очищенные сточные воды собираются через сливной лоток, расположенный по периметру резервуара, и поступают по двум подземным трубопроводам в резервуар сбора очищенных сточных вод и далее в реку.

Этот резервуар снабжен приборами измерения расхода и температуры.

Возвратный активный ил с помощью двух центробежных насосов подается обратно на биологическую очистку сточной воды.

Избыточный активный ил с помощью двух эксцентриковых шнековых насосов перекачивается в резервуар-накопитель шлама.

Вторичный отстойник снабжен скребковым механизмом, который собирает оседающий на днище резервуара шлам в приямок вокруг центральной колонны.

Обработка осадка

Флотационный и избыточный биологический шлам поступает в резервуар-накопитель шлама, изготовленный из стали с теплоизоляцией. Этот резервуар снабжен устройством измерения уровня, предназначенным для контроля количества ила, и насосной установкой, состоящей из двух эксцентрических шнековых насосов с частотными преобразователями.

Предварительно смешанный шлам подается насосами в небольшой накопительный резервуар, снабженный мешалкой. В этом резервуаре происходит смешивание шлама с хлопьеобразующим агентом (полиэлектролитной эмульсией, для простоты иначе именуемой «полимером»). Контакт с полимером должен произойти непосредственно перед тем, как шлам попадет на статический уплотнитель. Это необходимо для получения оптимальной структуры хлопьев ила.

Статический уплотнитель ила представляет собой фильтр-сгуститель. Шлам, попадающий на уплотнитель, разделяется на 2 потока. В результате процесса уплотнения образуется фильтрат, который почти не содержит твердых веществ, и сгущенный шлам, содержащий примерно 6 - 8% твердых веществ, еще достаточно жидкообразный для того, чтобы его можно было перекачивать насосом.

Уплотнение ила приводит к значительному сокращению объема метантенка, расположенную далее в технологической цепочке, и, следовательно, к снижению затрат на утилизацию шлама. Уплотнитель представляет собой компактный, полностью автоматический агрегат, изготовленный из нержавеющей стали и оснащенный насосом для промывки сетки фильтратом. Уплотнённый ил перекачивается двумя шнековыми эксцентрическими насосами в метантенк. Фильтрат самотёком по трубопроводам подаётся в резервуар-накопитель.

Перегнивание ила

Функция метантенка состоит в том, чтобы осуществлять мезофильное анаэробное сбраживание (ферментацию) сгущенной иловой смеси, состоящей из флотационного шлама, отделенного в блоке флотации, и избыточного ила, полученного в блоке биологической очистки активированным илом, установленном выше по технологической цепочке. В нем в качестве побочного продукта образуется биогаз.

Поскольку оптимальная температура для анаэробной очистки составляет 35-37°С, то шлам, поступающий в метентенк следует нагреть до температуры около 38 °C. Нагрев происходит в трубчатом теплообменнике.

В качестве теплоносителя используется горячая вода, поступающая из контура охлаждения ТЭЦ, которая, в свою очередь, работает на биогазе, производимом в реакторе.

Сам реактор представляет собой стальной резервуар с теплоизоляцией, установленный на железобетонной плите. Этот закрытый резервуар и полностью теплоизолированный. Внутренняя облицовка резервуара устойчива к кислой среде. Реактор оснащен перемешивающим устройством, прибором измерения давления и температуры биогаза и защитным комбинированным клапаном для сброса давления и (или) вакуума. Ил, находящийся в реакторе, непрерывно перемешивается эксцентрическим шнековым насосом. Рециркуляционный ил поступает в реактор через тот же трубчатый теплообменник, что позволяет регулировать температуру процесса гниения даже без притока свежего ила.

Сброженный шлам перетекает в резервуар-накопитель переработанного ила. Он снабжен перемешивающим устройством и прибором измерения уровня. Резервуар для хранения сброженного (переработанного) ила также снабжен двумя эксцентрическими шнековыми насосами с регулируемой частотой, которые перемещают переработанный ил на станцию обезвоживания.

Выделяющийся биогаз поступает из реактора в резервуар для хранения биогаза (газгольдер).

Установка для обезвоживания ила

Чтобы получить оптимальное хлопьеобразование ила для его обезвоживания, необходимо внесение хлопьеобразующего агента (полимера) и технической воды. Смешивание ила с полимером осуществляется встроенным статическим смесителем. Флокулированный сброженный осадок подаётся прямо на установку для обезвоживания ила, снабженную шнековым прессом.

Шлам поступает в цилиндрический фильтр барабанного типа. Диаметр вала шнека увеличивается к концу корзины, и зазор между его лопастями уменьшается. По мере перемещения ила объем пространства между сетчатым барабаном, валом и лопастями непрерывно уменьшается, а давление увеличивается.

Вода из ила выводится через барабанное сито. Шнек выталкивает все более и более уплотняющийся ил в сторону кольцевого зазора с круглым отверстием и регулируемым выпускным конусом. Конус прижимается к отверстию с помощью пневматических цилиндров, таким образом, поддерживается определенное давление на выходе. Щетка на лопастях очищает вращающийся фильтр изнутри, а стационарная штанга распылителя периодически промывает его снаружи при вращении.

Чаще всего качество обезвоживания нарушается при частом изменении консистенции ила, и это требует внимания оператора. Шнековый пресс RoS3Q автоматически настраивается при перегрузке или недогрузке. Контур управления обеспечивает оптимальную работу в течение всего времени. Типовые результаты обезвоживания таковы: фильтруется 18 – 25% твердых примесей при поддержании высокого качества фильтрата (интенсивность захвата твердых частиц обычно составляет более 97%).

Обезвоженный шлам проталкивается шнеком через пресс-конус в зону выброса, сбрасывается в контейнер, установленный этажом ниже, и хранится в транспортном контейнере до вывоза.

Хранилище биогаза и факел для сжигания биогаза

Полученный в процессе сбраживания шлама биогаз отводится в газгольдер. При этом газ проходит через камеру сбора конденсата, где собирается конденсат из нескольких трубопроводов биогаза.

Газгольдер представляет собой мембранную емкость, не находящуюся под давлением, в котором происходит выравнивание потока биогаза. Это необходимо для эффективной работы ТЭЦ. Он является полностью автономным устройством. Резервуар для биогаза с двойной мембраной состоит из внешней мембраны, которая образует видимый внешний круглый контур резервуара, внутренней мембраны и нижней мембраны, которая и образует фактическое пространство для газа.

Компрессор подаёт воздух в пространство между внутренней и внешней мембраной и позволяет регулировать изменение количества газа при его поступлении и выпуске из резервуара, при этом сохраняя давление газа внутри резервуара на постоянном уровне. Это также обеспечивает защиту наружной мембраны от неблагоприятных погодных условий. Воздух в пространство между внутренней и наружной мембраной подается через регулирующую воздушную заслонку.

Поскольку объем пространства для газа изменяется в зависимости от количества газа, поступающего из резервуара, устройство измерения уровня измеряет объем пространства, ограниченного внутренней мембраной, и передает эту информацию на панель управления для регулирования работы установки. Впускные и выпускные трубы для газа заключены в бетонном фундаменте, выходят из него непосредственно перед самим резервуаром для газа, и герметично соединены с нижней мембраной установки. Резервуар для биогаза с двойной мембраной крепится к фундаменту анкерным соединением.

Мембраны изготовлены из полиэфирной ткани, обладающей высокой стойкостью к разрыву, со специальной ПВХ-обработкой поверхности, и покрыты акрилатным лаком. Специальная технология обработки поверхности гарантирует высокую устойчивость к УФ-излучению. Эта ткань также устойчива к воздействию различных ингредиентов биогаза, а наружная мембрана выкрашена в белый цвет с высоким коэффициентом отражения. Резервуар устойчив к ветру и высокому уровню снежного покрова, и пригоден к эксплуатации при температуре от -30 °C до +60 °C.

Подача биогаза на когенерационную установку осуществляется компрессором для биогаза, который снабжен расходомером. Трубопроводы для биогаза подходящие к компрессору и отходящие от него, а также факел для сжигания биогаза защищены от быстрого возгорания с помощью пламегасителей.

В нормальных условиях биогаз подается на ТЭЦ. Если ТЭЦ находится в нерабочем состоянии, он автоматически сжигается в факеле. Основная функция факела состоит в том, чтобы сжигать газ, образующийся в реакторе, если его невозможно использовать на ТЭЦ. Факел для биогаза представляет собой компактный агрегат, состоящий из следующих элементов:

• факел для сжигания биогаза, со скрытым пламенем. Рабочее давление 10-30 мбар. Факел установлен на стойке, закрепленной на бетонном фундаменте, с изолированной камерой сгорания в виде трубы, с отверстием для визуального осмотра. Камера сгорания снабжена автоматическим устройством зажигания газа с отдельным электромагнитным клапаном. Шкаф управления снабжен устройством программирования для автоматической загрузки;
• устройство контроля пламени с ультрафиолетовым датчиком пламени.
• ТЭЦ, система распределения тепла

ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ЗАДАЧА

Функция объекта:

• Использование энергии биогаза, образующегося в метантенке;
• Передача теплоты для нагревания воды и шлама.

Генерируемая электроэнергия будет использоваться в процессе очистки, а излишки планируется использовать на предприятии.

ТЕХНИЧЕСКОЕ РЕШЕНИЕ

Теплоэлектрический газовый генератор со всем необходимым оборудованием планируется установить вне помещения, в контейнере на бетонной плите. В состав оборудования входят следующие компоненты:

• Генератор Senergie G926TI с дополнительными принадлежностями (комплект поставляется одним поставщиком);
• Подстанция;
• Трансформатор;
• Распределительное устройство среднего напряжения.

Система вентиляции контейнера ТЭЦ проектируется и устанавливается поставщиком агрегата ТЭЦ.

Теплоэлектроцентраль

Предложенная система основана на использовании комбинированного теплоэлектрогенератора Senergie G926TI, который работает при разнице температур в системе охлаждения, равной T = 5 C:

• Температура на выходе системы охлаждения: 70 C.
• Температура на входе системы охлаждения: 85 C.

Модульный газовый генератор Liebherr 926 с синхрогенератором типа Leroy Somer LS 46.2 M3, мощностью 168 кВА; напряжение 230/400 В (перем.), частота 50 Гц. Ниже указаны рабочие параметры параллельной работы при нагрузке 100%:

• Электрическая мощность Qe = 125 кВт;
• Тепловая мощность Qc = 179 кВт;
• Потребляемая мощность (топлива) Q = 340 кВт.

Технические характеристики блока ТЭЦ

• Топливо: биогаз;
• Расход биогаза: 54,5 м3/ч;
• Минимальная высшая теплотворная способность топлива: 6,23 кВтч/м3;
• Электрический КПД: 36,8%;
• Тепловой КПД: 52,6%;
• Общий КПД: 89,4;