Кузнецов А.Е., Градова Н.Б., Лушников С.В. и др. Прикладная экобиотехнология. Учебное пособие. В 2-х томах

Врезультате разложения органических веществ и уплотнения объем осадка

всептике уменьшается в 2 раза. Ил периодически удаляют (обычно 1 раз в год); около 1/6 части ила оставляют для поддержания работы септитенка. В септике задерживается 80–95% взвешенных веществ, практически все жизнеспособные яйца гельминтов, количество микроорганизмов и коли-индекс уменьшаются на 20–40%. Большинство септитенков работают без обогрева – в криофильном (психрофильном) режиме при температуре <20 °С. Иногда в схеме очистки предусматриваются 2 тенка: первичный с подогревом 30–40 °С, перемешиванием и вторичный без подогрева и перемешивания.

Рис. 1.61. Септитенк

Осветлители-перегниватели, которые можно рассматривать как разновидность септитенка, применяют на станциях очистки сточных вод с пропускной способностью до 30000 м3/сут. На рис. 1.62 приведена конструкция осветлителяперегнивателя, выполненного в виде комбинированного сооружения, состоящего из осветлителя, концентрически располагаемого внутри перегнивателя.

Метод анаэробной очистки в контактном реакторе был одним из первых, широко применяемых в промышленности с начала 1930-х гг., в частности, для обработки стоков сахарных, спиртовых и дрожжевых производств. По сравнению с септитенком контактный реактор намного производительнее, поскольку в нем предусматривается перемешивание среды с анаэробным илом и поддерживается более высокая концентрация ила за счет возврата его части из вторичного отстойника (см. рис. 1.14 на с. 50), т. е. аналогично тому, как это реализуется в аэротенке с вторичным отстойником. Для повышения эффективности разделения иловая жидкость перед вторичным отстойником может дополнительно подвергаться дегазации (в отдельной емкости) или охлаждению. При дегазации газ удаляют механическим (гидравлическим) способом или действием вакуума. Охлаждение приводит к замедлению процессов метанообразования и, как следствие, образования новых пузырьков, что улучшает седиментационные свойства анаэробного ила.

Максимальная нагрузка для анаэробного контактного процесса невысока и составляет около 2,5–3,0 кг ХПК/(м3·сут). Причина заключается в том, что при такой нагрузке по органическим веществам концентрация взвешенных твердых веществ внутри реактора составляет от 10 до 15 г/л; концентрация твердых веществ выше этого уровня слишком большая для эффективного гравитационного разделения во вторичном отстойнике. Контактный реактор малопригоден для обработки сточных

Рис. 1.62. Осветлитель-перегниватель (по М. П. Лапицкой и др., 1983): 1 – подающий лоток; 2 – лоток для удаления корки; 3 – сборный лоток; 4 – илораспределительная труба; 5 – труба для удаления корки; 6 – подающая труба; 7 – отстойная камера; 8 – отражательный щит; 9 – камера флокуляции; 10 – иловая труба; 11 – камера для сбраживания осадка; 12 – труба для удаления сброженного осадка; 13 – лоток для отвода осветленной воды

вод с повышенным содержанием твердых частиц, скорость анаэробного разложения которых невелика и которые плохо отделяются во вторичном отстойнике.

Традиционными и наиболее распространенными аппаратами для проведения анаэробного разложения являются метантенки. Они используются для сбраживания стоков с высокой концентрацией загрязнений и разложения органических отходов, в частности активного ила очистных сооружений (см. разд. 3.2.5).

Метантенки с неподвижным незатопленным перекрытием имеют недостаток, свойственный сооружениям с жесткими перекрытиями, – непостоянство давления внутри реактора. При выгрузке осадка внутри метантенка может образоваться вакуум, а при загрузке – повыситься давление. Это приводит к разрушению конструкций, образованию трещин. При образовании вакуума засасывается воздух, возможно образование взрывоопасной горючей смеси. Поэтому для устранения неравномерностей при выделении газа, его сбора, хранения и предотвращения попадания воздуха в метантенк при выпуске осадка на линии газоотвода устанавливают газгольдеры. При длительной эксплуатации метантенков в них возможно образование слоя плотной корки под перекрытием вследствие скапливания газа и подсыхания осадка. В метантенках большого объема толщина такого слоя может достигать нескольких метров и существенно уменьшать их полезный объем, поэтому в некоторых конструкциях метантенков могут быть предусмотрены рыхлители корки.

Опасность образования вакуума отсутствует в метантенках с плавающим подвижным перекрытием из металла или железобетона. Такое перекрытие поднимается при загрузке осадка и опускается при его выгрузке, обеспечивая герметичность конструкции с одновременным сбором и отведением газа с поверхности. Металлическое перекрытие выполняется из нескольких радиально расположенных ферм, снизу подшитых газонепроницаемыми металлическими конструкциями. В перекрытии создают гидравлический затвор. Металлический цилиндрический обод опускается на 0,5–0,6 м ниже перекрытия в иловую смесь. Это препятствует выходу газа из метантенка наружу.

Преимущества метантенка с плавающим перекрытием:

взрывобезопасность, так как независимо от наполнения метантенка в нем поддерживается положительное давление газа, что исключает возможное попадание воздуха внутрь сооружения;

по положению плавающего перекрытия можно осуществить дозировку загрузки и выгрузки;

облегчается борьба с образованием корки.

Метантенки всех типов могут работать в мезофильном (20–45 °С, обычно 30–35 °С) и термофильном (50–60 °С) температурных режимах. Режим сбраживания выбирают с учетом методов последующей обработки и утилизации осадков, а также санитарных требований. Мезофильный режим используется чаще, поскольку он является менее энергозатратным и более экономически выгодным, допускает существование большего числа видов микроорганизмов и поэтому более стабилен, менее чувствителен к изменениям условий окружающей среды; осадки в этом режиме после переработки обезвоживаются лучше по сравнению с термофильным процессом. Однако при термофильном режиме скорость распада органических соединений выше (примерно в 2 раза) и выше степень их распада, достигается практически

полная дегельминтизация осадков, что важно, если осадки используются в качестве рекультиванта или удобрения для почвы. Продолжительность сбраживания при мезофильном режиме 20–30 сут, при термофильном – около 10 сут. Теплотворная способность газа при термофильном сбраживании на 2–5% ниже, чем при мезофильном.

Поскольку метаногенез протекает без выделения тепла, требуется обогрев метантенка. Обогрев осуществляют прямым вводом через пароструйные эжекторы острого пара низкого давления с температурой 100–110 °С или пара давлением от 0,1 до 0,5 МПа, горячей водой через теплообменник или электронагревательными элементами. В условиях средней полосы России зимой системы подогрева работают от 11 до 13 ч в сутки, летом – от 3 до 4 ч. Перегретый пар целесообразно подавать в дозирующую камеру, в которой поступающий на перереботку материал перемешивается и нагревается до 70–80 °С, что приводит к его дегельминтизации. Если используется нагрев через теплообменник или электронагревательные элементы, то конструкция биореактора, режим обогрева и скорости движения субстрата должны быть такими, чтобы температура вблизи теплообменников не превышала 60 °С и не было налипания субстрата на теплообменные поверхности, приводящего к снижению эффективности теплообмена. Для обогрева обычно используются трубчатые или спиральные теплообменники. В технологической линии может быть предусмотрен дополнительный теплообменник для подогрева подаваемого на обработку осадка теплом сброженного осадка. При температуре, превышающей 70 °С, процесс газообразования прекращается в связи с гибелью метанообразующих бактерий.

Очень часто пар получают, сжигая образующийся биогаз. При мезофильном режиме сбраживания на обогрев и перемешивание затрачивается 15–30% выделившегося биогаза, при термофильном – 30–60%. Для мезофильного режима сбраживания удельный расход острого пара составляет 25–40 кг/м3 осадка, для термофильного – 50–70 кг/м3. Если выход биогаза составляет менее 10 м3/м3 осадка при термофильном режиме и 5 м3/м3 осадка при мезофильном режиме, то тепла, выделяемого при сжигании биогаза, недостаточно для подогрева метантенка. Для уменьшения потерь тепла и расхода биогаза на подогрев метантенки теплоизолируют. Для теплоизоляции применяются стекловолокно, стекловата, ячеистый пластик.

Для более полного проведения процесса метаногенерации необходимо тщательное перемешивание содержимого метантенка, чтобы обеспечить равномерное распределение содержимого реактора, необходимые условия массо- и теплообмена, свести к минимуму слипание, образование пены и корки, формирование придонного осадка, удалить газы. Для перемешивания в метантенке используют механические мешалки, циркуляционные насосы, гидроэлеваторы или комбинацию этих систем. Достаточно скорости перемешивания мешалкой 3–10 об./мин. Перемешивание за счет рециркуляции газа в системе обеспечивается при скорости подачи газа 0,9–1 м3 газа на 1 м2 площади аппарата. В аппаратах, оборудованных мешалками, при увеличении интенсивности перемешивания с 3 до 5 об./мин выход биогаза возрастает на 12–15%. Без перемешивания

выделение биогаза за сутки снижается примерно в 3 раза. В конструкциях без мешалок однородность содержимого метантенка может обеспечиваться режимом впуска и выпуска и подогревом осадка с помощью инжекторов. В случае содержания в среде токсичных веществ перемешивание может увеличить доступ токсикантов к метаногенам, что приведет к ингибированию процесса метанообразования.

Оптимальная концентрация взвешенных веществ в метантенке, при которой наблюдается высокая интенсивность метанообразования, находится в интервале 2–10%. При концентрации твердых частиц выше 10–12% перемешивание среды затрудняется, и это приводит к снижению газовыделения. В таких случаях применяются специальные конструкции биореакторов, обеспечивающие необходимый уровень перемешивания.

Метанообразование протекает с максимальной скоростью при рН от 6 до 8. При понижении рН ниже 5,5 (в случае «закисания» метантенка) активность метаногенных бактерий прекращается. Как правило, pH не регулируют вследствие высокой буферной емкости среды. Но при закислении среды наилучшим нейтрализующим средством является раствор NaHCO3.

Оптимальное значение Eh для активности метаногенов лежит в интервале от –400 до –300 мВ. Кратковременная аэрация метантенка повышает Eh, но не приводит к гибели метаногенов, так как сопутствующая факультативно анаэробная микрофлора утилизирует кислород, и через 2 сут метаногенез возобновляется.

Концентрация жирных кислот не должна превышать 500–1000 мг/л. При перегрузке метантенка в нем возможно нарастание продуктов кислой фазы, наблюдается «закисание» метантенка, содержание жирных кислот повышается, снижается pH и одновременно снижается щелочность иловой воды. Концентрация пропионовой и масляной кислот при перегрузке системы возрастает быстрее, чем концентрация уксусной. Повышение концентрации образующихся жирных кислот ингибирует метаногенную активность. Эти изменения происходят довольно быстро – в течение 1–24 ч. При опасности «закисания» для поддержания pH на оптимальном уровне в метантенк могут вносить CaCO3 в соотношении ЖК : CaCO3 = 1 : 6.

Чтобы обеспечить формирование клеточной массы, в среде должны содержатьсянеобходимыепитательныевещества.Измикроэлементовдляметанообразующих бактерий наиболее важны железо, никель, кобальт. Последний необходим для синтеза витамина B12, участвующего в ферментативных процессах метанообразования. В табл. 1.24 приведен элементный состав метаногенных бактерий, входящих в состав бактериального консорциума. Как правило, содержание макро- и микроэлементов в подаваемой на очистку среде должно в 1,5–2 раза превышать количества, необходимые для роста биомассы.

Нельзя допускать недостатка и избытка азота. Оптимальные соотношения C : N лежат в интервале 15 : 1– 50 : 1. В качестве источника фосфора используют соли фосфатов или фосфорную кислоту, не осаждающиеся на стенках труб и в объеме реактора.

Таблица 1.24.

Типичный элементный состав биомассы метаногенов (по K. V. Rajeshwari et al., 2000)

Образующиеся ионы аммония в концентрации 1500–2000 мг/л, ионы калия, натрия и кальция в концентрации 3000–6000 мг/л могут ингибировать активность метанообразующих бактерий, однако при сбраживании таких отходов, как куриный помет, метаногенерация может не ингибироваться и при содержании NH4+ 20000 мг/л. Цианид-ионы (CN–) в концентрации 5–50 мг/л, формальдегид в концентрации 100–400 мг/л угнетают метаногенерацию.

Ингибирование метаногенеза вызывают сульфаты, которые при метановом брожении восстанавливаются сульфатредуцирующими бактериями до сульфидов и H2S. Поскольку эти микроорганизмы конкурируют с метаногенами за предшественники метана – ацетат и водород, а эффективность потребления этих компонентов у сульфатредукторов выше, чем у метаногенов, выход метана уменьшается. Образующиеся сульфиды в концентрации 100–500 мг/л ингибируют метаногенез.

Одна из трудностей применения анаэробного сбраживания вызвана повышенной концентрацией в обрабатываемых материалах, особенно в осадках сточных вод, тяжелых металлов, которые токсичны для анаэробных микроорганизмов. В ряде случаев концентрация металлов в осадках превышает фоновые значения в несколько сот раз. В среде сбраживания тяжелые металлы распределяются между жидкой фазой, неорганической фракцией осадка и биомассой анаэробных бактерий. Чем больше содержание растворенных металлов, тем больше их поглощается биомассой. Увеличение pH приводит к уменьшению содержания металлов в растворе, поэтому в биомассе их тоже становится меньше. Увеличение pH на 0,3 единицы снижает содержание меди в биомассе на 30%, а никеля и цинка – на 60%, но одновременно повышает количество неорганической металлсодержащей фракции осадка. Концентрации металлов, вызывающие ингибирование образования метана на 20% (в мг/кг сухой биомассы): Ni – 1800–2300, Cd – 2000–2500, Cu – 2500–3000, Zn – 3000–4000.

Добавление извести в «закисший» метантенк понижает содержание металлов в биомассе и их ингибирующее действие. Осаждению металлов вне клеток способствуют добавки сульфидов. В виде осажденных сульфидов металлы менее токсичны, и с ростом концентрации сульфида содержание металлов в бактериях быстро уменьшается. В большинстве случаев необходимо ввести лишь неболь-

В ходе эксплуатации метантенков в них контролируют температуру осадка, уровень загрузки, расходы поступающего осадка, пара и газа, давление пара и газа, состав жидкой фазы (иловой воды) и состав биогаза. В жидкой фазе определяют pH, содержание летучих жирных кислот, щелочность, азот аммонийных солей. При устойчивом процессе метанообразования pH 7,6–8,0, содержание жирных кислот невелико: около 5 мг-экв/л для мезофильного процесса и 8–12 мг-экв/л для термофильного процесса, щелочность высокая – 65–90 мг-экв/л для мезофильного и термофильного процессов. В результате брожения происходит аммонификация белкового азота с накоплением в среде ионов NH4+. При нормальном брожении содержание NH4+ не превышает 500–800 мг/л.

В биогазе контролируют содержание CH4, CO2 и H2. При «закисании» метантенка количество CH4 уменьшается, а доля CO2, CO и H2 увеличивается.

Для запуска метантенка можно использовать в качестве посевного материала отобранный активный ил из метантенков других производств. Однако для достижения необходимой активности требуется адаптация используемого ила к новому субстрату. Для мезофильных режимов период запуска реактора обычно составляет 30–60 сут. При запуске вначале осуществляется инокулирование реактора с разовой подачей субстрата. Затем примерно через неделю задают 10%-ю нагрузку от максимальной и начинают постепенно повышать ее до рабочего уровня. Нагрузку начинают повышать, когда содержание летучих жирных кислот в иловой жидкости падает до 200–400 мг/л.

Большим недостатком метантенка является невозможность переработки сточных вод с ХПК ниже 20–30 г/л, небольшая скорость конверсии: 0,5– 5 кг/ (м3·сут).

В периодическом режиме работы метантенка в него трудно загружать твердые отходы и выгружать сброженные, что обычно проводится вручную. Чтобы устранить неравномерности в интенсивности образования газа и подогреве метантенков, небходимо иметь несколько реакторов, в которых процесс находится на разных стадиях.

Повысить скорость сбраживания и метаногенерации в метантенках можно путем:

1)увеличения концентрации сухого вещества в загружаемых в метантенк стоках или отходах;

2)увеличения концентрации анаэробного ила в реакторе;