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

Рис. 1.74. Воздействие гидростатического давления на плотность частиц ила (по H. M rkl, 2006)

Сток с реактора дополнительно направляется в напорный разделитель (напорный седиментатор). Благодаря гидростатическому давлению в этом разделителе происходит оседание всплывшего и вынесенного из реактора вместе с очищенной водой ила. Ускорение седиментации происходит благодаря сокращению газовой фазы в частицах и гранулах анаэробного ила. При повышенном давлении в разделителе происходит увеличение плотности частиц по сравнению с плотностью выходящего стока, что в итоге приводит к оседанию частиц анаэробного ила (рис. 1.74). Этот эффект особенно заметен при небольших размерах частиц ила, которые, в отличие от больших гранул, более склонны к флотации в реакторе. Исследования, проведенные в Техническом университете Гамбурга-Харбурга (Германия), показали, что именно небольшие богатые органикой частицы ила проявляют высокую специфическую метаногенную активность. Таким образом, наиболее целесообразно возвращать именно эту высокоактивную фракцию ила в реактор, используя напорный разделитель. В реакторе «Biomar® AHP» возврат ила из разделителя осуществляется под напором при помощи насосов. Этот тип реакторов подходит для сточных вод, при очистке которых невозможно явно выраженное образование гранул анаэробного ила или же процесс гранулирования имеет недостаточную скорость. Такими сточными водами, например, являются высококонцентрированные стоки от производства биодизеля или биоэтанола, сточные воды производства дрожжей. В результате одного из промышленных испытаний использования такой конструкции реактора с гранулированным илом при очистке сточных вод бумажного производства в Германии была достигнута мощность по снятой ХПК более 25 кг ХПК/(м3 сут). Было показано, что реактор такого типа при очистке сточных вод производства биодизеля

Рис. 1.75. Два анаэробных реактора высокой производительности BIOMAR® AHP для очистки сточных вод, образующихся при производстве биодизеля. Слева – внешний вид реакторов; справа — схематическое изображение данных реакторов с предварительной очисткой, смесителем-усреднителем, биофильтром для очистки отходящих газов и станцией дозирования реагентов (фото и графика ЭнвироХеми)

с ХПК на входе около 80000 мг/л может обеспечить снижение ХПК на выходе до 500 мг/л (рис. 1.75).

ABR (аnaerobic baffled reactor) – перегородочный реактор (рис. 1.76). Реактор представляет собой прямоугольную емкость, разделенную параллельными вертикальными перегородками на ряд отделений. Сток поочередно двигается снизу вверх и сверху вниз, проходя в каждом отделении через формирующийся там слой гранул или флокул биомассы. Преимущества реактора этого типа – простота конструкции и отсутствие потребности в газоилоразделительных устройствах, устойчивость к перегрузкам и токсичным веществам, возможность пространственного разделения и последовательного протекания различных фаз брожения. Недостатки – слишком длительное время пребывания жидкости в реакторе (от 2 до 15 сут), низкая гидравлическая нагрузка, не превышающая 5 кг/(м3·сут), и как следствие, большие рабочие объемы и повышенные капитальные затраты.

Повысить содержание ила в анаэробном реакторе можно, иммобилизовав анаэробные биоценозы на поверхности носителя (загрузки). Прикрепленные к носителю микроорганизмы образуют биопленку, общая концентрация их в среде повышается, а вместе с этим повышается скорость метаногенеза. На щетках из капроновых волокон уже через 2–3 недели сбраживания накапли-

Рис. 1.76. Реактор с перегородками (дефлекторами)

Рис. 1.77. Схема анаэробного фильтра (по K. V. Rajeshwari et al., 2000)

вается в 2–3 раза больше метаногенов, чем в жидкости. Анаэробные системы с биопленкой стабильны и обеспечивают устойчивую работу реакторов в непрерывном режиме. Эти системы не столь лимитированы переносом субстратов на границе носитель–жидкая среда, как аэробные сообщества — переносом кислорода.

Очистка с биопленкой используется в анаэробных биофильтрах, AF (аnaerobic filter). В анаэробном фильтре с восходящим потоком (upflow anaerobic filter, UAF) биомасса удерживается в виде флокул, расположенных в пустотах загрузочного материала, и биопленки, прикрепленной к поверхности носителя. Очищаемая жидкость подается снизу и отводится сверху. В

качестве загрузки используют плоскостные пластмассовые изделия, а в более ранних конструкциях – гравий, шлак, щебень и др. Движение жидкости и газа осуществляется в одном направлении, поэтому значительного перемешивания в реакторе не происходит.

ВDSFF-реакторе (downflow stationary fixed film reactor) – реакторе с нисходящим потоком жидкости и неподвижно закрепленной биопленкой и DAF (downflow anaerobic filter) – анаэробном фильтре с нисходящим потоком – движение жидкости и газа противоположно и условия перемешивания лучше, чем в UAF (рис. 1.77). В таких реакторах метаногенная биомасса может длительно удерживаться только в виде биопленки; она же обусловливает до 95% активности биореакторов. Эти реакторы более устойчивы в эксплуатации, чем биофильтры с восходящим потоком. Они выдерживают 5–10-крат- ные перегрузки по органическим веществам. Однако нарастание биопленки

вних более длительное, до 3–4 лет.

Ванаэробных фильтрах можно сбраживать субстрат с невысоким содержанием органических веществ (около 0,5%) и взвешенных твердых частиц. Предельная нагрузка по ХПК – до 10 кг/(м3·сут). Степень очистки по ХПК до 90% при нагрузках по ХПК 2 кг/(м3·сут) и 40% при нагрузке по ХПК 8–16 кг/(м3·сут).

По сравнению с метантенками анаэробные биофильтры устойчивы в эксплуатации, к перерывам в подаче субстрата, обеспечивают большую стабильность при высоких нагрузках и колебаниях температуры, меньшую чувствительность к шоковым токсическим воздействиям органических веществ, меньшее время достижения рабочих нагрузок, однако они подвержены заиливанию и закупорке свободного пространства в слое носителя с биопленкой, особенно при подаче на очистку стоков с высоким содержанием твердых частиц и при образовании осадков малорастворимых соединений. Боqльшая часть объема биофильтров занята инертным носителем, для них характерны большое гидродинамическое сопротивление, существенная зависимость производительности реактора от равномерности потока субстрата по сечению реактора. Закупоривание носителя приводит к образованию каналов, по которым субстрат протекает преимущественно, и тем самым часть реактора исключается из работы. Для уменьшения вероятности проскока загрязнений применяют сложные конструкции распределения обрабатываемой воды по объему реактора, что усложняет эксплуатацию реакторов больших размеров. Заиливание и каналообразование отсутствуют у вращающихся дисковых анаэробных биофильтров, RBC (rotating biological contactor). Накопление биомассы в них контролируется скоростью вращения диска. Однако удельная поверхность загрузки у дисковых биофильтров меньше и они менее производительны.

Гибридный фильтр со слоем ила с восходящим потоком, UBF (upflow-sludge bed filter) сочетает реакторы AF и UASB. Иммобилизация биомассы на носителе происходит в верхней части реактора, а внизу формируется гранулированный ил. Носитель с биомассой одновременно выполняет функцию сепарирующего устройства для отделения газа от сточной воды и удерживания биомассы в ре-

Скорость восходящего потока жидкости обеспечивает образование псевдоожиженного слоя. В таком реакторе накопление биомассы достигает 10–90 кг/ м3 при минимальном вымывании и большой удельной поверхности биомассы. Реакторы со взвешенным слоем имеют наибольшую производительность среди всех конструкций и обеспечивают нагрузки до 70 кг ХПК/(м3·сут) при степени удаления по ХПК 86% (стоки крахмального производства). При нагрузках 10–20 кг/(м3·сут) удаляется 90–99% быстроразрушаемых растворимых загрязнений.

Модификацией реактора со взвешенным слоем является реактор с обратным ожижением, в котором используется плавающая загрузка, например перлит. В таком реакторе основной поток и его рецикл направляют сверху вниз, при этом достигается большое содержание биомассы. Благодаря невысоким скоростям потока требуются меньшие затраты на ожижение (по сравнению с псевдоожижением), нет необходимости в дополнительных емкостях, используемых для осаждения выносимых частиц биомассы.

Реакторы с псевдоожиженным слоем устойчивы к перегрузкам и токсичным веществам, однако они более сложные по конструкции, эксплуатация их требует значительных дополнительных энергозатрат для образования псевдоожиженного слоя (75–3000 Вт·ч/м3 сточной воды) и квалифицированного инженерного обслуживания. Также в ряде случаев необходима предобработка стоков с целью удаления твердых частиц и жира, реакторы могут быть более чувствительны к перегрузкам по органическим веществам, вызывающим изменения характеристик биопленок.

Высокой концентрации анаэробного ила, производительности и компактности можно достичь в биореакторе с мембранными микро- и ультрафильтрационными модулями. В таком реакторе загрязнения удаляются непосредственно в процессе анаэробного разложения, а частично – в результате задержки мембраной. Бесклеточная иловая жидкость откачивается через мембрану. Проблемой мембранных анаэробных реакторов, как и мембранных аэробных, является забивание мембран биомассой и другими твердыми частицами, многократно снижающее скорость фильтрации через мембрану и рабочие нагрузки на аппарат. Однако по сравнению с аэробными мембранными биореакторами в аналогичных анаэробных системах проще поддерживать проницаемость мембран на требуемом уровне, поскольку объем образующегося ила меньше и меньше забивание мембран илом. Анаэробные мембранные реакторы изготавливают в герметичном исполнении. Мембранные модули могут быть выносными или погружными. В последнем случае для периодической очистки мембран устанавливаются механические скребки или другие устройства, но они недостаточно эффективны. Приходится постоянно чистить мембраны химическими реагентами. Очистка поверхности мембраны от избытка ила может происходить с помощью пузырьков биогаза, часть которого отбирается на выходе и барботируется в реактор под мембранами. Анаэробные мембранные биореакторы обеспечивают удаление 90–99,4% ХПК при ХПКвх. 2–100 г/л и нагрузках 1–16 кг/ (м3·сут). Реактор с фильтрацией наиболее целесообразно использовать при обработке высококонцентрированных сточных вод при относительно большом времени пребывания их в реакторе.

Промышленное использование мембран для анаэробной очистки имеет только единичные примеры в связи с тем, что проблема загрязнения мембран остается по-прежнему нерешенной.

В табл. 1.25–1.29 приведены основные показатели работы некоторых из рассмотренных анаэробных реакторов и их применение в различных отраслях промышленности в России и других странах (по состоянию на начало 2000-х гг.).

Совокупность современных промышленных анаэробных биореакторов обеспечивает высокие скорости осаждения твердых частиц в рабочем пространстве (до 50 м/ч для гранулированного ила по сравнению с 5 м/ч для осаждения флокулированного ила во вторичном отстойнике после аэротенка), что устраняет необходимость использования вторичного отстойника, высокие концентрации биомассы в реакторе (до 40 кг/м3 по сравнению с 3–4 кг/м3 для ила в аэротенке и 0,5–3 кг/м3 в традиционном метантенке), высокие удельные поверхности биопленки (3000 м2/м3 по сравнению с 300 м2/м3 для капельных биофильтров), анаэробную обработку разбавленных стоков (ХПК не менее 0,1 кг/м3 по сравнению с минимальным ХПК 10 кг/м3 в метантенках), высокие скорости конверсии (до 40 кг/(м3·сут) по сравнению с 0,5–5 кг/(м3·сут) в метантенках и 2–3 кг ХПК/(м3·сут) в аэротенках и аэробных биофильтрах), снижение времени обработки (от 0,5–1 ч до 2–3 сут по сравнению с 8–10 сут в метантенках), компактность, высокий возраст биомассы (несколько недель) и минимальное количество образующегося ила, низкие энерго- и общие эксплуатационные затраты, капитальные затраты и занимаемую площадь по сравнению с системами аэробной очистки. Наряду с этим ограничения на содержание органических взвешенных веществ в сточной воде, подаваемой в анаэробный реактор, существенно менее жесткие, чем для аэробных систем. Однако в стоках, поступающих в UASB, гибридные реакторы, на анаэробные биофильтры, содержание взвешенных веществ и твердых примесей тем не менее не должно быть слишком высоким, так как иначе это приведет к их накоплению в реакторе и со временем к снижению производительности реактора.

Промежуточные и конечные продукты анаэробной очистки (летучие жирные кислоты), объем и состав биогаза легко поддаются количественному определению. Это облегчает применение автоматизированного контроля и управления.

Анаэробные микроорганизмы в составе гранул или биопленок могут храниться без подачи сточных вод долгое время (свыше 1 года) без сильного падения их активности и ухудшения осаждаемости гранул, что особенно важно для использования в промышленности с сезонным циклом производства. Анаэробное метаногенное сбраживание хорошо комбинируется с другими методами очистки, при которых могут быть получены такие полезные продукты, как аммиак или сера, а в ряде случаев избыточный ил и биологически очищенную воду можно использовать для орошения, удобрения или кондиционирования почв.

Таблица 1.25.

Основные показатели работы анаэробных реакторов в мезофильном режиме (по С. В. Калюжному, 2004)

Таблица 1.26.

Функционирующие анаэробные реакторы в странах СНГ (по С. В. Калюжному, 2004)

190 Глава 1

Окончание таблицы 1.26.

Таблица 1.27.

Распределение построенных анаэробных реакторов по типам их конструкций (по С. В. Калюжному, 2004)

Таблица 1.28.

Распределение построенных анаэробных реакторов по отраслям промышленности (по С. В. Калюжному, 2004)