Биотехнологии очистки сточных вод. Учебно-методическое пособие

2. УТИЛИЗАЦИЯ ОТХОДОВ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД

Аэробная биологическая очистка сточных вод сопровождается образованием осадков первичных отстойников и избыточного активного ила. Существенным фактором, во многом определяющим эффективность действия очистных сооружений, является решение проблемы утилизации этих отходов. Одно из направлений квалифицированного их использования основано на применении процесса метанового брожения.

2.1. ХИМИКО-БИОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕТАНОВОГО БРОЖЕНИЯ

Брожение – это анаэробный ферментативный окислительновосстановительный процесс превращения органических веществ, при котором акцептор водорода (также органическое вещество) образуется в ходе распада субстрата. Различают несколько типов брожения, названия которым даются по конечному продукту – акцептору водорода: спиртовое, молочнокислое, метановое и др.

Предполагается, что полное превращение органического вещества в ходе метанового брожения может быть описано следующим химическим уравнением:

Образующаяся при этом смесь метана и диоксида углерода называется биогазом.

Согласно современным представлениям, метановое брожение включает в себя четыре последовательные стадии:

1) стадия ферментативного гидролиза нерастворенных сложных органических веществ с образованием более простых растворенных веществ;

41

2)стадия кислотообразования (кислотогенная стадия) с выделением короткоцепочечных летучих жирных кислот, аминокислот, спиртов, а также водорода и диоксида углерода;

3)ацетогенная стадия превращения летучих жирных кислот, аминокислот и спиртов в уксусную кислоту, диссоциирующую на анион ацетата и катион водорода;

4)метаногенная стадия – образование метана из уксусной кислоты, а также в результате реакции восстановления водородом диоксида углерода.

Впроцессе анаэробного сбраживания участвуют пять групп микроорганизмов. Первая группа – это ферментативные бактерии, осуществляющие стадии гидролиза и кислотообразования. Под действием разнообразных гидролаз сложные органические составляющие осадков подвергаются внеклеточному гидролизу, превращаясь в соединения, доступные для питания клеток бактерий. Дальнейшее внутриклеточное окисление продуктов ферментативного гидролиза белков, жиров и углеводов приводит к образованию конечных продуктов второй стадии брожения: низших жирных кислот, спиртов, аммиака, водорода, диоксида углерода, сероводорода.

Ацетогенная стадия осуществляется двумя группами бактерий. Первая образует уксусную кислоту с выделением водорода из растворимых продуктов предшествующей стадии кислотообразования, например из пропионовой и масляной кислот:

CH 3CH 2COOH + 2H 2 O → CH 3COOH + CO2 + 3H 2 ,

CH 3CH 2CH 2 COOH + 2H 2 O → 2CH 3 COOH + 2H 2 ,

вторая приводит к образованию уксусной кислоты в результате восстановления диоксида углерода водородом:

2CO2 + 4H 2 → CH 3COOH + 2H 2O .

На заключительной стадии процесса метановые бактерии образуют метан двумя путями: расщеплением уксусной кислоты (одна

42

группа микроорганизмов) и восстановлением диоксида углерода водородом (другая группа микроорганизмов):

CH 3COOH → CH 4 + CO2 ,

CO2 + 4H 2 → CH 4 + 2H 2O .

Первым путём получается 72 % метана, вторым – 28 %. Образующийся биогаз может быть использован в качестве топ-

лива в теплоэнергетическом хозяйстве очистных сооружений и близкорасположенных объектов. Сброженный осадок подвергается дальнейшей обработке, включающей его обезвоживание и санитарное обеззараживание, после чего может применяться, в частности, в качестве органоминерального удобрения как на полях сельскохозяйственного назначения, так и в городском озеленении [5, 7, 8].

2.2. ТЕХНОЛОГИЯ МЕТАНОВОГО БРОЖЕНИЯ. МЕТАНТЕНКИ

Технология метанового брожения включает в себя следующие основные операции (рис. 11) [5]:

1)уплотнение и сгущение избыточного активного ила из вторичных отстойников установки биологической очистки сточных вод;

2)смешение уплотнённого избыточного активного ила с осадком первичных отстойников установки биологической очистки сточных вод;

3)анаэробное сбраживание полученной смеси;

4)уплотнение и обезвоживание сброженного осадка.

Собственно процесс брожения осуществляется в метантенках, которые представляют собой железобетонные или стальные вертикальные резервуары цилиндрической формы с жёстким куполообразным перекрытием и коническим или плоским днищем (рис. 12). Возможны также конструкции с плавающим перекрытием и открытые метантенки.

43

фекальных колиформ достигает 90 %, относительно яиц гельминтов – 50–80 %. При выборе температурного режима необходим также учёт климатических условий места расположения установки анаэробного брожения. Так, если для обеспечения термофильных температур необходимы значительные затраты энергии, то предпочтительна реализация в метантенке мезофильных температурных условий.

Ещё одним важным контролируемым параметром процесса анаэробного брожения является реакция среды: метаногенные бактерии имеют оптимум рН в пределах от 6,8 до 7,5.

2.3. ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО РАСЧЁТА МЕТАНТЕНКА

При технологическом расчёте метантенка должны быть определены следующие основные параметры [5]:

−концентрация сухого беззольного вещества загружаемого в метантенк осадка S, кг/м3;

−температура сбраживания t, ° С;

−нагрузка на метантенк по сухому беззольному веществу d, кг/(м3× сут);

−время пребывания осадка в метантенке (продолжительность сбраживания) τ, сут;

−удельный выход биогаза на единицу массы сухого беззольного вещества загрузки Вуд, м3/кг;

−скорость выхода биогаза b/τ, м3/(м3× сут);

−требуемый рабочий объём метантенка V, м3;

−общий выход биогаза Bобщ, м3/сут.

Алгоритм расчёта включает в себя следующие вычисления.

1. Определение концентрации сухого беззольного вещества, загружаемого в метантенк, кг/м3:

где ρ – плотность сбраживаемой массы, кг/м3;

45

где G1 и G2 – количество перерабатываемых осадка первичных отстойников и избыточного активного ила соответственно, м3/сут;

W1 и W2 – влажность осадка первичных отстойников и избыточного активного ила, поступающих в метантенк, соответственно, %.

2. Расчет нагрузки на метантенк по сухому беззольному веще-

где τ – продолжительность сбраживания.

По экспериментальным данным τ = 10 сут. для мезофильного температурного режима брожения (t = 33 оC) и τ = 8 сут. для термофильного (t = 53 оC).

3. Расчет удельного выхода биогаза на единицу массы загрузки сухого беззольного вещества, м3/кг:

где B – предельный выход биогаза на единицу массы загруженного в метантенк органического вещества при бесконечной продол-

46

4. Определение скорости выхода биогаза, м3/ м3 × сут.:

47

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1.Яковлев С.В., Воронов Ю.В. Водоотведение и очистка сточных вод: учебник для вузов. М.: АСВ, 2004. 704 с.

2.Биотехнологии очистки сточных вод: учебно-метод. пособие / Сост. А.Ю. Копнина, Б.Ю. Смирнов. – Самара: Самар. гос. техн. ун-т, 2008. – 43 с.

3.СНиП 2.04.03 – 85 ( Актуализированная редакция СП 32.13330.2012) Строительные нормы и правила. Канализация. Наружные сети и сооружения.

М.: ЦИТП, 1986. 72 с.

4.Проектирование сооружений для очистки сточных вод / Всесоюз. комплекс. н.-и. и конструкт.-технолог. ин-т водоснабжения, канализации, гидротехн. сооружений и инж. Гидрогеологии. М.: Стройиздат, 1990. 192 с.

5.Гюнтер Л.И., Гольдфарб Л.Л. Метантенки. М.: Стройиздат, 1991. 128 с.

6.Проектирование сооружений переработки и утилизации осадков сточных вод с использованием элементов компьютерных информационных техно-

логий: учеб. пособ. / В.И. Алексеев, Т.Е. Винокурова, Е.А. Пугачёв. М.: Из-

дательство АСВ, 2003. 176 с.

7.Медведев А.С., Стрижко В.С., Рудань О.В. Обезвреживание осадков го-

родских станций аэрации // Экология и промышленность России. 2002.

Май. С. 31-34.

8.Нефедов Б.К., Ермилов В.В., Поляков В.С. Использование осадков сточных вод в качестве органоминерального удобрения // Экология и промышленность России. 2007. Ноябрь. С. 42-45.

48

ПРИЛОЖЕНИЕ

Таблица П1

49