Установки для анаэробной переработки сточных вод
О.В. Мосин
УСТАНОВКИ ДЛЯ АНАЭРОБНОЙ ПЕРЕРАБОТКИ СТОЧНЫХ ВОД
Сточные воды, содержащие значительные количества ферментируемых органических соединений, подвергают биологической обработке в отсутствии кислорода в анаэробных условиях. Хотя анаэробная обработка применяется во многих процессах биотехнологии, основной сферой использования этого метода является переработка избыточного активного ила, образующегося при биологической очистке сточных вод. Концентрированный ил образуется на нескольких стадиях, в том числе при отделении твердых частиц на решетках фильтров и в первичном отстойнике, а также при росте микроорганизмов в ходе биологического окисления (при вторичной очистке сточных вод). Ил далее концентрируют или сгущают путем простой седиментации (отстаивания); ликвидации ила обычно предшествует стадия анаэробной биологической переработки, являющаяся одним из этапов водоочистки.
Механизм анаэробной переработки отходов, в котором участвует множество видов микроорганизмов, в самом общем виде можно описать следующей схемой:
На первой стадии твердые частицы ила усваиваются (солюбилизируются)_внеклеточными ферментами, синтезируемыми самыми различными бактериями. В системах для анаэробной обработки ила фиксируются протеолитические, липолитические и некоторые целлюлолитические ферменты. Поскольку в биореакторах для анаэробной переработки ила твердые вещества не накапливаются, поэтому реакции осуществляются достаточно быстро и эта стадия не лимитирует скорость всей последовательности превращений.
Экспериментальное изучение следующей стадии анаэробной переработки ила - микробиологического синтеза низкомолекулярных жирных и летучих кислот из растворенных органических веществ, показало, что скорость осуществляющихся на этой стадии реакций также довольно высока. Ответственные за эти превращения организмы называют кислотообразующими бактериями; они являются факультативными анаэробными гетеротрофами и лучше всего функционируют в диапазоне рН от 4,0 до 6,5. Главным продуктом этой стадии является уксусная кислота, но в некоторых количествах образуются также пропионовая и масляная кислоты.
Важнейшим субстратом для последней стадии процесса является уксусная кислота; показано, что около 70% всего метана образуется именно из этого субстрата. Стадия газификации осуществляется с участием метанобразующих бактерий, являющихся облигатными анаэробами. Эти организмы проявляют наибольшую активность в гораздо более узком диапазоне рН от 7,0 до 7,8; их сложно выделить в виде соответствующих чистых культур, но в эксплуатируемом биореакторе (метантенке) смешанная культура этих бактерий находит очень хорошие условия для своей жизнедеятельности. Имеющиеся данные свидетельствуют о том, что превращение летучих кислот в аммиак (NH3) и диоксид углерода (СО2) лимитирует скорость всей последовательности превращений, описываемой уравнением реакции.
На рисунке ниже представлена схема аппарата для анаэробной переработки ила (метантенка). Для предотвращения чрезмерного повышения локальных концентраций кислот содержимое метантенка перемешивают. Создание условий, удовлетворительных как для кислотообразующих, так и для метанобразующих бактерий, обеспечивается поддержанием рН около 7. На рисунке указан также выносной теплообменник для поддержания повышенной температуры в резервуаре метантенка. В большинстве случаев температуру содержимого метантенка поддерживают на уровне мезофильного диапазона (около 32—38°С), который обеспечивает максимальную скорость переработки ила. Имеются предпосылки на то, что скорость процесса можно повысить в еще большей степени, если осуществлять его в термофильном диапазоне (около 55 °С). Однако, такой температурный режим применяют сравнительно редко; одной из причин предпочтения, отдаваемого мезофильному диапазону температур, является меньший расход энергии на нагревание метантенка. При эффективном перемешивании и средней температуре (32—35°С) необходимое для полной переработки ила время его пребывания в аппарате составляет от 10 до 30 сут.
1—смотровые окна; 2 — труба для выхода газа; 3 — предохранительный клапан для регулирования давления (вакуума); 4 — пламягаситель; 5 — трубопровод для отвода газа; 6 — возвратная вода; 7—возвратная циркулирующая вода и расширительная камера; 8 — регулируемый слив суспензии ила; 9 — регулятор уровня; 10—вывод из камеры с илом; 11 — возврат воды в нагреватель; 12 — выпуск переработанного ила; 13 — дренажные трубы; 14 — подача сырого ила; 15 — газ; 16 — подача циркулирующей воды; 17—выносной теплообменник; /S — возврат циркулирующей воды; 19 — верхний уровень ила.
При анаэробной переработке ила в метанотенке образуется биотопливо (биогаз), которое можно использовать для снижения эксплуатационных расходов водоочистных станций. Иногда образующийся при анаэробной переработке ила метан используют вне водоочистной станции для выработки тепла и электроэнергии. Газовая смесь, образующаяся при анаэробной переработке ила и накапливающаяся, как показано на рисунке, в верхней части метантенка, состоит в основном из метана (65—70%) и углекислого газа. В небольших концентрациях в этой смеси содержатся также сероводород (продуцируемый сульфатредуцирующими бактериями), водород и углекислый газ. Газовая смесь обладает теплотворной способностью от 5800 до 6700 ккал/м3 и образуется с выходом 0,75—1,12 м3 из 1 кг переработанных органических веществ.
Таблица. Изменение состава ила бытовых сточных вод после анаэробной переработки.
Компонент
Содержание в исходном иле
Содержание в иле после переработки
Эфирорастворимые вещества
34,4
8,2
Водорастворимые вещества
34,4
5,6
Спирторастворимые вещества
2,5
1,6
Гемицеллюлоза
3,2
1,6
Целлюлоза
3,8
0,6
Лигнин
5,8
8,4
Белки
27,1
19,7
Зола
24,1
56,0
Таблица из работы: Abson I. W., Todhunier К. Я., in Biochemical and Biological Engineering Science, Blakebrough N. (ed.), vol. 1, p. 339, Academic Press, London, 1967.
Поскольку по своей теплотворной способности биогаз значительно уступает природному газу (около 8900 ккал/м3), то при наличии достаточных запасов последнего биогаз не представляется удобным или привлекательным топливом. Однако, в связи с постоянным повышением цен на нефть, процессам анаэробной переработки ила как потенциальному источнику топлива (после обязательного удаления сероводорода (H2S)) уделяется все большее внимание в ведущих биотехнологических компаниях мира. В результате анаэробной переработки ил легче поддается последующим операциям. Во-первых, содержание органических веществ в иле снижается на 50—60%. Во-вторых, существенные изменения претерпевают и концентрации других компонентов ила. После анаэробной переработки ил в гораздо меньшей степени подвержен гниению и легче обезвоживается. После обезвоживания (эту операцию часто осуществляют с помощью вакуумной фильтрации) ил высушивают и затем используют в качестве удобрения.
Литература:
Дж. Бейлли, Д. Оллис. Основы биохимической инженерии. М. Мир, 1989, 2 Т.