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

3)разделения метаногенеза на отдельные стадии по фазам сбраживания в разных реакторах;

4)применения стимулирующих добавок и предобработки сырья.

Вбольшинстве вариантов анаэробной переработки загрязнения и отходы разлагаются в жидкой фазе с содержанием воды 90–99%. В технологии твердофазного брожения и твердофазной метаногенерации перерабатываются мусор, навоз, помет

идругие отходы с влажностью 10–80%. Содержание твердых веществ в реакторе при такой технологии составляет от 8–11% до 80–85% (по асв).

Технология твердофазной метаногенерации позволяет обрабатывать сбраживаемые отходы без их разбавления и соответственно уменьшить объемы обрабатываемых отходов, реакторов, сброженного шлама, затраты энергии и т. д. При переработке концентрированных субстратов количество теплоты, необходимое для поддержания температурного режима процесса, значительно меньше, чем при переработке разбавленных субстратов.

Твердофазный процесс чаще проводят в мезофильном режиме, чтобы избежать слипания компонентов (коксования). Особое внимание уделяется подготовке сырья к сбраживанию. Правильно подобранный способ предобработки обеспечивает максимальный контакт микроорганизмов с субстратом и тем самым способствует интенсификации метаногенеза. В твердофазном режиме скорость процесса метаногенерации лимитируется стадией гидролиза высокомолекулярных соединений, поэтому измельчение, предобработка сырья могут уменьшить время, необходимое для анаэробного разложения. В биореакторах твердофазная биогазификация может проводиться без перемешивания сырья или с перемешиванием – с помощью шнековой мешалки. Твердофазная метаногенерация протекает на полигонах твердых бытовых отходов.

Вдвухфазном процессе, предпочтительно используемом при обработке твердых отходов, последовательно в отдельных реакторах осуществляются стадия кислотообразования и стадия метанообразования. Раздельное проведение двух стадий анаэробного сбраживания позволяет создать оптимальные условия для разных групп бактерий, использовать разные температурные режимы и конструкции биореакторов, нейтрализовать ингибирующее действие токсичных веществ на метаногены, сбраживая или трансформируя ингибиторы на первой стадии. Например, кислотную стадию лучше проводить в мезофильном режиме, метановую – в термофильных условиях в реакторе с биопленкой. В результате такого разделения общая скорость процесса повышается не менее чем на 30%, общий объем реакторов и потребность в энергии для подогрева содержимого уменьшаются. Обычно реактор для кислой фазы небольшой, а для щелочной фазы – большего объема. Другой пример двухфазного процесса – последовательная сульфатредукция и метаногенерация при высоком содержании сульфатов в загрязненной среде. SMPA-реакторы (staged multi-phase anaerobic, многофазный анаэробный реактор с последовательным протеканием процессов) обеспечивают разделение стадий и одновременное протекание анаэробных, аноксигенных и микроаэрофильных процессов в едином аппарате.

Рис. 1.64. Анаэробный двухступенчатый процесс очистки стоков бумажного завода с последующей аэробной доочисткой, разработанный финской фирмой «Тампелла»: 1 – емкость для разбавления стоков; 2 – первичный отстойник-ловушка; 3 – метантенк для кислотного брожения (I ступень); 4 – метантенк для метаногенеза (II ступень); 5 – отстойник; 6 – ленточный фильтр-пресс; 7 – аэрационный пруд

На рис. 1.64 приведен пример системы очистки стоков пищевых и бумажных заводов с использованием двухстадийного процесса. Зоны ацидогенеза

иметаногенерации в данном случае размещены в одном вертикальном реакторе, разделенном горизонтальной перегородкой на верхнюю зону объемом 300 м3

инижнюю – объемом 350 м3.

Стимулировать метаногенез могут добавки порошкообразного активного угля к содержимому метантенка. В присутствии угля процесс становится менее чувствительным к токсичным примесям и перегрузкам, снижается уровень запахов, улучшаются структурно-механические характеристики и водоотдача сброженных осадков. Для повышения стабильности процесса обработки органических осадков в метантенках можно использовать также бикарбонат натрия. Однако данные приемы интенсификации процесса сбраживания не получили широкого распространения.

При твердофазной метаногенерации подстилочного навоза крупного рогатого скота (КРС) необходима предобработка сырья для создания благоприятных условий протекания гидролитической стадии процесса, изначально затрудненной высоким содержанием в сырье лигнина и других трудногидролизуемых растительных полимеров. Для этого может использоваться обработка ферментами при аэрации для частичного ферментативного гидролиза субстрата; задействуются гидролитические системы аэробной микрофлоры, в частности грибов.

В ряде случаев для удаления из стоков веществ, токсичных для анаэробного сообщества, может применяться аэробная предобработка стоков микроорганиз-

мами, устойчивыми к токсикантам. Например, аэробная ферментация стоков с плесневыми грибами Aspergillus niger, Geotrichum candidum, а также с дрожжами Saccharomyces cerevisiae и S. uvarum позволяет удалять фенолы и полифенолы, токсичные для метаногенеза. Повысить биодоступность и биодеградируемость субстрата в анаэробных условиях может предобработка его озоном или пероксидом водорода.

1.5.3. Анаэробные реакторы нового поколения

Установки анаэробного сбраживания совершенствуются с целью интенсификации и повышения стабильности брожения и метаногенерации, возможности быстрой переработки стоков с относительно невысокими концентрациями загрязнений. В последние десятилетия были разработаны и начали широко внедряться в промышленности реакторы нового поколения, лишенные недостатков традиционных септитенков и метантенков и по производительности превосходящие сооружения аэробной биологической очистки. Биореакторы просты в исполнении и представляют собой железобетонные или металлические емкости, содержащие минимум нестандартного оборудования (подвижные элементы отсутствуют). Компактность и практически полная герметичность анаэробных биореакторов позволяют устанавливать их не только на внеплощадочных очистных сооружениях, но и на территории предприятий и даже, в ряде случаев, внутри производственных помещений. В типичной схеме аэробной очистки они могут заменить первичный отстойник, метантенк для сбраживания ила, аэробный реактор и вторичный отстойник. Однако требуется дополнительная очистка для удаления остатков органических веществ и биогенных элементов.

Большинство разработанных реакторов работают в непрерывном режиме

ииспользуют принцип удержания биомассы. Их разделяют на:

1.реакторы с гранулированным слоем ила и восходящим потоком жидкости;

2.реакторы с биопленкой;

3.реакторы с псевдоожиженным слоем ила (бактериальная масса иммобилизована на мелких инертных частицах, которые сильным потоком подаваемой в реактор жидкости удерживаются во взвешенном состоянии);

4.фильтротенки и мембранные реакторы.

Обнаружение способности микроорганизмов, входящих в состав метаногенного сообщества, к агрегированию и грануляции в условиях восходящего потока послужило основой для разработки конструкций реакторов для очистки сточных вод, где эта способность реализуется наиболее эффективно. Гранулированный ил обладает хорошими седиментационными свойствами и метаногенной активностью, не вспухает, обеспечивает высокое содержание ацидогенной и метаногенной биомассы в рабочей зоне (см. разд. 1.5.1). Для отделения выходящей из реактора сточной воды и пузырьков газа от гранул ила, лучшего осаждения и удерживания гранул в реакторе применяются дополнительные сепарационные устройства в верхней части реактора (осадительная секция). Наличие сепарирующего устройства особенно важно при высоких нагрузках на систему, когда вывод газа происходит

Рис. 1.70. Общий вид сооружений с реактором «Biomar® ASB», используемых, в частности, для очистки стоков пивоваренного завода (графика ЭнвироХеми): 1 – удаление механических примесей (барабанная решетка); 2 – смесительусреднитель; 3 – реактор ASB с газоилоразделителями; 4 – емкость для подготовки рециркуляционного потока; 5 – теплообменник; 6 – главный щит управления; 7 – линия биогаза; 8 – факельная установка для биогаза; 9 – биофильтр для отработанных газов

Недостатки UASB-реактора – образование застойных зон в слое ила и как следствие – снижение интенсивности брожения и производительности, длительная начальная наработка гранулированной загрузки, что вызывает необходимость загружать вновь вводимые в эксплуатацию реакторы илом, наработанным действующими реакторами. При переработке субстратов, содержащих твердые частицы, в объеме реакторов накапливаются твердые инертные вещества. Это приводит к падению производительности реактора. Для совершенствования режима перемешивания и поддержания производительности предложены различные системы подвода сточных вод к слою ила. В таких системах очистки, как, например, реактор «Biomar ASB» (ЭнвироХеми, рис. 1.69), гидравлическая нагрузка на реактор обеспечивается с помощью линии рециркуляции очищенного стока, отбираемого с различных по высоте частей реактора в систему распределения, расположенную на дне (рис. 1.70). С помощью регу-

лирования рециркуляционных потоков в зависимости от приходящего стока возможна настройка потока внутри метанреактора с определенным постоянным градиентом скорости. Скорость восходящего потока жидкости в реакторе с иловой рециркуляцией в отдельных сечениях реактора выше, чем в обычном UASB-реакторе, благодаря чему обеспечиваются высокая производительность и стабильность работы при нагрузке 10 кг ХПК/(м3 сут) и более и небольших объемах самого реактора.

Специфическая проблема UASB-реактора во время пускового периода – образование пены, особенно при перегрузках. Для уменьшения пены стоки разбавляют в несколько раз и вносят дополнительные количества азота (ХПК : N= = 170 : 1) в виде мочевины. Кроме того, разбавление приводит к повышению гидравлической нагрузки и ускорению процесса селекции ила с необходимыми свойствами.

Рис. 1.71. Реактор Biomar® ASB для очистки стоков пивоваренного завода (фото ЭнвироХеми): 1 – емкость смешения-усреднения; 2 – факельная установка для сжигания биогаза; 3 – реактор ASB; 4 – аэротенк для доочистки и удаления азота и фосфора

UASB-реакторы и их модификации хорошо зарекомендовали себя при обработке стоков заводов пищевой промышленности. В России построены или находятся в стадии проектирования интенсивные анаэробные очистные сооружения для пивоваренной промышленности (рис. 1.71), производства безалкогольных напитков, чипсов, молокопродуктов. На большинстве из этих очистных сооружений используются UASB-реакторы или их модификации.

Одним из вариантов развития UASB-реактора является EGSB-реактор (expanded granular sludge bed) – реактор с расширенным и взвешенным слоем гранулированного ила (см. рис. 1.65). В нем скорость восходящего потока в несколько раз выше (4–12 м/ч), чем в UASB-реакторе, что обеспечивается большим соотношением высота/диаметр при высоте до 20 м и/или рециркуляцией стока (Biobed®-Reactor). Это создает лучшие условия перемешивания слоя ила, меньшие застойные зоны, ускоряет транспорт субстратов и продуктов реакций

внутри агрегатов. Ил в таком реакторе всегда имеет форму гранул и хорошие седиментационные свойства. Благодаря более интенсивному массообмену в реакторе можно эффективно перерабатывать стоки с ХПК до 40 кг/м3, обеспечивая удаление 98% органических загрязнений. Эти реакторы часто применяются при дефиците площадей, так как занимают меньше места благодаря своей вертикальной организации (соотношение высота/диаметр > 2 : 1).

Другие достоинства такого реактора – возможность эффективной обработки сточной воды с невысокой концентрацией загрязнений (~500 мг/л) и

впсихрофильных условиях. Благодаря возможности очистки разбавленных стоков EGSB-реактор лучше, чем другие анаэробные системы, подходит для удаления из воды токсичных загрязнений. EGSB-реактор эффективен при переработке сточных вод, содержащих большие количества жиров и высших жирных кислот. Очистка в EGSB-системе стабильна вплоть до нагрузок 30– 35 кг/(м3·сут).

Недостаток EGSB-реактора – вымывание при высоких скоростях восходящего потока суспендированных частиц и флокул с меньшей седиментационной способностью, чем гранулы. Суспендированные и коллоидные частицы при высоких нагрузках по растворимому органическому веществу плохо удаляются из сточной воды, флотируют при интенсивном выделении пузырьков газа. Поэтому к газоилоразделительным устройствам и системе отвода газа в верхней части EGSB-реактора предъявляются более высокие требования, чем

вобычных UASB-реакторах. Эти реакторы требуют дополнительных затрат энергии на рециркуляцию жидкости и поддержание ила во взвешенном состоянии.

ВIC-реакторе (internal circulation) – реакторе с внутренней рециркуляцией — для предотвращения флотирования и выноса анаэробной биомассы осуществляется частичное отведение газа минимум на двух различных уровнях реактора. Примером IC-реактора является реактор, включающий два вертикально расположенные отсека – два UASB-реактора: высоконагружаемый и низконагружаемый (рис. 1.72). Конструкция включает циркуляционные трубы – подъемную для смеси жидкости и выделяющегося газа и сливную для отсепарированной от газа жидкости, а также сепарационные устройства. Циркуляция обеспечивается подъемной силой выделяющегося газа. Рабочие нагрузки для IC-реактора – до 30 кг ХПК/(м3·сут). Степень удаления по ХПК 70–80%.

Модификацией реактора с внутренней циркуляцией является реактор «BIOMAR® AHP», высота которого может достигать 25 м. Для лучшего перемешивания и достижения высокой скорости восходящего потока часть образовавшегося биогаза отбирается из реактора и подается снова в его нижней части (рис. 1.73). Образующийся биогаз отводится как минимум с трех различных по высоте уровней реактора. Башня реактора имеет модульную конструкцию и в зависимости от потока сточных вод может быть надстроена при добавлении модулей. В башне-реакторе происходит сортировка ила: богатые органикой небольшие частицы поднимаются вверх, в то время как более крупные частицы ила с большей долей неорганических компонентов остаются на дне реактора.