Метантенк

Метантенк — это герметичный резервуар, предназначенный для анаэробного (без доступа кислорода) сбраживания органических отходов с целью получения биогаза и стабилизации осадка. Метантенки являются ключевым элементом очистных сооружений канализации, а также используются в сельском хозяйстве и промышленности для переработки навоза, помёта, отходов пищевой промышленности и других биоразлагаемых материалов. Процесс, протекающий в метантенке, называется метановым брожением или анаэробной ферментацией.

История

Первые попытки получения горючего газа из органических отходов были предприняты в конце XVIII века. В 1776 году итальянский физик Алессандро Вольта установил, что при разложении органических веществ в болотах выделяется метан. В 1808 году английский химик Хамфри Дэви доказал, что газ, образующийся при гниении навоза, содержит метан.

Первый практический метантенк был построен в 1859 году в Бомбее (Индия) для очистки сточных вод. В 1881 году французский инженер Луи Мурас (Louis Mouras) запатентовал «автоматический очиститель» — прообраз современного септика, который также работал по принципу анаэробного сбраживания. В 1905 году в Германии был построен первый метантенк непрерывного действия (система Имхоффа), который сочетал отстаивание и сбраживание осадка в одном резервуаре.

Массовое внедрение метантенков на очистных сооружениях началось в 1920—1930-х годах. В СССР первые метантенки были установлены в 1930-х годах на станциях аэрации в Москве и Ленинграде. В 1950-х годах были разработаны конструкции с механическим перемешиванием и подогревом, что позволило значительно ускорить процесс сбраживания. С 1970-х годов, в связи с энергетическим кризисом, интерес к метантенкам как источнику биогаза возрос во всём мире.

Устройство и принцип работы

Метантенк представляет собой цилиндрический или конический резервуар, изготовленный из железобетона, стали или полимерных материалов. Основные конструктивные элементы:

Корпус — герметичный, рассчитанный на избыточное давление (обычно до 0,05–0,1 МПа) или работающий при атмосферном давлении.
Система загрузки — трубы для подачи исходного субстрата (осадка, навоза, отходов).
Система выгрузки — трубы для удаления сброженного осадка (шлама).
Газосборник — купол или колпак в верхней части для сбора биогаза.
Система перемешивания — механические мешалки, гидравлические насосы или барботаж (подача газа снизу) для равномерного распределения микроорганизмов и температуры.
Система подогрева — теплообменники (змеевики, рубашки) для поддержания оптимальной температуры (35–55 °C).
Система отвода биогаза — трубопроводы, газгольдеры, предохранительные клапаны.

Принцип работы

Процесс анаэробного сбраживания в метантенке протекает в четыре стадии:

Гидролиз — сложные органические полимеры (белки, жиры, углеводы) расщепляются внеклеточными ферментами бактерий до простых мономеров (аминокислоты, жирные кислоты, сахара).
Ацидогенез (кислотообразование) — мономеры превращаются в летучие жирные кислоты (уксусная, пропионовая, масляная), спирты, водород и углекислый газ.
Ацетогенез — летучие жирные кислоты и спирты окисляются до уксусной кислоты, водорода и углекислого газа.
Метаногенез — метанобразующие археи (Methanobacterium, Methanosarcina и др.) восстанавливают углекислый газ водородом или расщепляют уксусную кислоту, образуя метан (CH₄) и углекислый газ (CO₂).

Суммарное уравнение реакции (упрощённо): C₆H₁₂O₆ → 3CH₄ + 3CO₂

Классификация метантенков

Метантенки классифицируются по нескольким признакам:

По режиму загрузки

Периодического действия — загрузка и выгрузка производятся порциями, процесс идёт циклами.
Непрерывного действия — субстрат подаётся постоянно, а сброженный осадок удаляется непрерывно или с небольшими интервалами. Наиболее распространённый тип на крупных очистных сооружениях.

По температурному режиму

Психрофильный (15–25 °C) — медленный процесс, низкая степень разложения, подходит для небольших установок и холодного климата.
Мезофильный (30–40 °C, оптимум 35–37 °C) — наиболее распространённый режим, обеспечивает хорошее газообразование и стабилизацию осадка.
Термофильный (50–60 °C, оптимум 52–55 °C) — высокая скорость разложения, максимальный выход биогаза, но требует больше энергии на подогрев и более чувствителен к колебаниям температуры.

По конструкции

Цилиндрические — наиболее распространённые, с коническим или плоским днищем.
Шаровые — сферические резервуары, обеспечивают равномерное распределение давления.
Горизонтальные — используются в компактных установках (например, в сельском хозяйстве).
С плавающим куполом — купол поднимается и опускается в зависимости от объёма накопленного газа.

По способу перемешивания

С механическим перемешиванием — лопастные, пропеллерные или турбинные мешалки.
С гидравлическим перемешиванием — циркуляция субстрата насосами.
С газовым перемешиванием — барботаж биогазом или инертным газом.

Применение

Метантенки используются в различных отраслях:

Очистка сточных вод

На городских очистных сооружениях метантенки являются основным оборудованием для стабилизации сырого осадка (смеси первичного осадка и избыточного активного ила). Сбраживание позволяет:

Уменьшить объём осадка на 30–50 %;
Уничтожить патогенные микроорганизмы и яйца гельминтов;
Устранить неприятный запах;
Получить биогаз, который сжигается в котлах для отопления или в газопоршневых установках для выработки электроэнергии.

Сельское хозяйство

В животноводческих комплексах метантенки перерабатывают навоз и помёт. Полученный биогаз используется для обогрева помещений, сушки зерна, выработки электроэнергии. Сброженный осадок (шлам) применяется как органическое удобрение, так как в нём сохраняются азот, фосфор и калий, а семена сорняков и патогены уничтожены.

Промышленность

Метантенки применяются для переработки отходов пищевой, спиртовой, пивоваренной, целлюлозно-бумажной и других отраслей. Например, барда (отход спиртового производства) или меласса сбраживаются в метантенках для получения биогаза и снижения нагрузки на очистные сооружения.

Энергетика

Биогаз, получаемый в метантенках, содержит 50–70 % метана и 30–50 % углекислого газа. После очистки от сероводорода, влаги и CO₂ он может быть использован как:

Топливо для газовых двигателей и турбин;
Сырьё для получения биометана (аналога природного газа);
Топливо для транспортных средств (после сжатия или сжижения).

Факторы, влияющие на эффективность

Эффективность работы метантенка зависит от ряда параметров:

Температура — должна поддерживаться в узком диапазоне (±1–2 °C) для выбранного режима.
pH среды — оптимальный диапазон 6,8–7,5. При снижении pH (закислении) процесс метаногенеза подавляется.
Соотношение углерода и азота (C/N) — оптимальное 20–30:1. При избытке азота образуется аммиак, который токсичен для метаногенов.
Концентрация органических веществ — слишком высокая концентрация может привести к закислению, слишком низкая — к низкой газоотдаче.
Наличие токсичных веществ — тяжёлые металлы, антибиотики, дезинфектанты, сульфаты (образуют сероводород) могут ингибировать процесс.
Время пребывания — обычно 10–30 суток для мезофильного режима и 5–15 суток для термофильного.

Преимущества и недостатки

Преимущества

Утилизация органических отходов с получением возобновляемого источника энергии (биогаза);
Снижение объёма и стабилизация осадка, пригодного для использования в качестве удобрения;
Уменьшение выбросов парниковых газов (метан не попадает в атмосферу, а сжигается);
Снижение затрат на электроэнергию и тепло на очистных сооружениях;
Возможность работы в непрерывном режиме.

Недостатки

Высокие капитальные затраты на строительство (герметичные резервуары, системы подогрева и перемешивания);
Чувствительность к колебаниям параметров (температуры, pH, состава субстрата);
Необходимость квалифицированного обслуживания и контроля;
Образование неприятного запаха при негерметичности;
Неполная утилизация органики (остаётся 30–50 % исходного объёма).

Интересные факты

Крупнейшие метантенки в мире установлены на очистных сооружениях в Чикаго (США) — их объём достигает 15 000 м³ каждый.
В Швеции и Норвегии биогаз из метантенков используется как топливо для городских автобусов и мусоровозов.
В Китае к 2025 году планируется построить более 1000 крупных метантенков для переработки сельскохозяйственных отходов.
В России метантенки эксплуатируются на крупных станциях аэрации (например, Люберецкие очистные сооружения, Курьяновские очистные сооружения в Москве), а также в животноводческих комплексах (например, в Белгородской области).

Источники

ГОСТ Р 56828.18-2017 «Ресурсосбережение. Обращение с отходами. Метантенки. Общие технические требования».
СП 32.13330.2018 «Канализация. Наружные сети и сооружения» (актуализированная редакция СНиП 2.04.03-85).
Яковлев С.В., Воронов Ю.В. «Водоотведение и очистка сточных вод». — М.: АСВ, 2006.
Гюнтер Л.И. «Метантенки для сбраживания осадков сточных вод». — М.: Стройиздат, 1975.
Angelidaki I., Sanders W. «Anaerobic digestion: process, products and applications» // Renewable Energy. — 2004.
Технический регламент Таможенного союза «О безопасности оборудования, работающего под избыточным давлением» (ТР ТС 032/2013).

BFOmetr — база данных и аналитика по компаниям России.

На главную BFOmetr →