14 Ковальчук Очистка стічних вод

Рис. 14.16. Схема анаеробного метанового зброджування осадів [19]:

I-IV - стадії процесу; I - гідроліз; II - кислотоутворення (кислотогенез); III - утворення оцтової кислоти (оцтогенез); IV - метаноутворення (метаногенез); 1-5 - бактерії, які приймають участь в процесі; 1 - ферментативні кислотогени; 2 - оцтогени, які утво-

рюють H2 ; 3 - оцтогени, які використовують H2 ; 4 - метаногени, які відновлюють CO2 ; 5 - метаногени, які використовують ацетат-іон

проведення: необхідно забезпечити достатню кількість ферментів, створити умови для їх контакту з органічним субстратом, підтримувати оптимальні температури й значення рН. Оскільки наступні стадії анаеробного зброджування не можуть розпочатися, поки не відбудеться гідроліз і тверді нерозчинні речовини не перейдуть у рідку фазу, загальна швидкість процесу може лімітуватись стадією гідролізу.

Кислотогенна стадія здійснюється вказаними вище групами бактерій, для яких вуглець простих розчинних органічних сполук є джерелом живлен-

491

ня. При цьому приблизно 20 % органічних речовин вихідного осаду перетворюються в оцтову, 15 % - у пропіонову й 65 % - в інші проміжні сполуки. Стадія кислотоутворення зазвичай не лімітує наступні стадії зброджування, оскільки бактерії, що здійснюють її, невибагливі й ростуть із великою швидкістю. Але інтенсивно протікаючі стадії гідролізу й кислотоутворення (їх загальна тривалість біля 7 год) можуть призвести до накопичення летючих кислот і зниження рН, що часто є причиною пригнічення росту бактерій, які здійснюють наступні стадії процесу.

Оцтогенна стадія здійснюється двома групами оцтогенних бактерій. Перша (група 2) утворює оцтову кислоту з виділенням водню з розчинних продуктів попередньої стадії кислотоутворення. Друга група оцтогенних бактерій (група 3) утворює оцтову кислоту шляхом використання водню для відновлення СО2.

На IV, метаногенній стадії, метанові бактерії утворюють метан двома шляхами - шляхом розщеплення оцтової кислоти (група бактерій 5), а також шляхом відновлення вуглекислоти воднем (група бактерій 4):

CH3COOH → CH+4 CO2 ; і CO2 + H2→ CH+4 H2O.

Першим шляхом утворюється 72 % метану, другим - 28 %.

У процесі метаноутворення можуть приймати участь п’ять основних груп метанових бактерій, які відрізняються морфологічно: Methanococcus, Methanobacterium, Methanospirillum, Methanotrix, Methanosarcina. При збро-

джуванні осадів міських стічних вод розвиваються переважно дві останні групи бактерій, з яких, у залежності від рН, тривалості зброджування й температури переважає одна група.

Метанові бактерії - це строгі анаероби, які дуже чутливі до присутності в середовищі розчиненого кисню (концентрація кисню не повинна перевищувати 0,01 мг/л) та нітратів, потребують підтримання оптимальних значень рН - 7,0-7,5. Для нормального розвитку метанових бактерій необхідна наявність у достатній кількості джерел вуглецю (ацетат-іону й вуглекислого газу), джерела енергії (водню), джерела азоту (аміаку), джерела сірки (сульфідів і сульфатів), мікроелементів (калію, натрію, кальцію, магнію, кобальту, міді, бору, цинку, молібдену). Деякі з цих мікроелементів при високих концентраціях можуть бути дуже токсичними для метанових бактерій.

Таким чином, анаеробний розпад органічних речовин здійснюється співтовариством мікроорганізмів, які складають трофічний ланцюжок первинних і вторинних анаеробів. Первинні анаероби здійснюють стадії гідролізу й кислотоутворення, вторинні - стадії оцтогенезу й метаногенезу. На відміну від трофічних ланцюжків мікроорганізмів в аеробних процесах, де взаємовідносини між групами організмів характеризуються, головним чином, відношеннями типу «хижак-жертва», для трофічних систем при метановому бродінні характерне використання продуктів обміну одних груп бактерій іншими:

492

харчові і енергетичні субстрати вторинних анаеробів утворюються в результаті діяльності первинних.

Крім трофічних зв’язків, між групами бактерій в процесі метанового зброджування існує й чисто фізичний зв’язок. Гідролітичним бактеріям необхідний тісний контакт із твердим субстратом, що піддається гідролізу: порушення цього контакту призводить до послаблення їх активності. Крім цього, у гетерофазному середовищі мають значення мікроградієнти концентрації субстратів навкруги клітини. Оцтогенні та метаногенні бактерії найкращим чином діють лише тоді, коли вони знаходяться в тісному симбіозі між собою. Розривання цього симбіозу, викликане сильними динамічними навантаженнями, які виникають при інтенсивному перемішуванні, негативно впливає на ефективність процесу. Мікробне співтовариство, яке здійснює метанове зброджування, повинно розвиватись при відсутності інтенсивного турбулентного перемішування. Ця обставина повинна враховуватись при виборі конструкцій камер бродіння, в яких необхідно поєднувати оптимальні умови перемішування при мінімальних динамічних навантаженнях.

Таким чином, для правильного розуміння метанового зброджування необхідно розглядати не окремі групи бактерій, а все співтовариство в цілому. Ефективність процесу зброджування в такому співтоваристві залежить не тільки від діяльності організмів, що приймають участь у даній реакції, але й від життєдіяльності бактерій, які споживають продукти цієї реакції. Накопичення продуктів обміну однієї із стадій процесу веде до гальмування інших. Бактерії, що працюють на різних стадіях, мають свої морфологічні й фізіологічні особливості, що зумовлює їх різні швидкості росту, чутливість до рН і концентрацій розчиненого кисню тощо. Все це відіграє велику роль у створенні збалансованої, добре працюючої системи анаеробного зброджування осаду.

14.4.2.2. Технологічні параметри процесу метанового зброджування

Головними технологічними параметрами, що визначають ефективність процесу анаеробного зброджування осадів, є їх хімічний склад, температура та тривалість зброджування, навантаження за органічною речовиною, концентрація завантажуваного осаду, а також режим завантаження й перемішування вмісту камери бродіння.

Хімічний склад осаду визначає можливу межу його зброджування, а також вихід і склад утворюваного біогазу. Дослідженнями АКГ ім. К.Д.Памфілова встановлено, що вся кількість газу, який виділяється в процесі зброджування осаду, утворюється лише за рахунок розпаду жирів, вуглеводів і білків. При цьому 60-65 % біогазу утворюється при розпаді жирів, а останні 35-40 % - припадають приблизно порівну на вуглеводи та білки. Усі три роз-

493

глядувані компоненти зброджуються не повністю: межа їх зброджування складає 70 % - для жирів, 62,5 % - для вуглеводів і 48 % - для білків. В свою чергу, вміст жирів, вуглеводів і білків в органічній речовині осадів складає 65-80 %. Виходячи із хімічного складу осаду, можна визначити межу зброджування беззольної речовини за формулою, запропонованою Л.І. Гюнтер:

де Cж , Cв , Cб - відповідно вміст жирів, вуглеводів і білків, г на 1 г беззо-

льної речовини осаду.

В таблиці 14.11 наведені результати практичних і теоретичних (за формулою (14.4)) визначень межі зброджування осадів різних станцій аерації. СНиП 2.04.03-85 рекомендує межу розпаду беззольної речовини сирого осаду первинних відстійників приймати рівною 53 %, а надлишкового активного мулу - 44 %. Через більший вміст білків межа розпаду беззольної речовини активного мулу завжди менша від межі розпаду беззольної речовини осаду, хоча вона в значній мірі залежить від тривалості перебування його в аеротенку та навантажень, при яких здійснювалась біологічна очистка. Чим молодший активний мул, чим більший вміст у ньому живих бактеріальних клітин, органічна речовина яких розпадається на 68 %, тим вища практична межа зброджування мулу.

У наш час немає чітких кількісних критеріїв стабілізації, при досягненні яких осад перестає загнивати та мати неприємний запах. Найчастіше стабілізованими вважаються осади, ступінь зброджування яких складає 90 %

Позначки: СА - станція аерації; СО - сирий осад; АМ - активний мул; БР - беззольна речовина

494

практичної межі розпаду. За А.А.Карпінським ступінь розпаду беззольної речовини, що задовольняє з точки зору знешкодження осаду, складає 45-50 % [20]. На практиці стабільність збродженого осаду часто контролюють за значеннями рН, лужністю й вмістом летючих жирних кислот у муловій воді.

У складі осадів містяться органічні та неорганічні речовини, які при певних умовах можуть виявляти токсичну дію на процес зброджування. До таких речовин відносять іони важких металів, розчинений кисень, сульфіди, амонійний азот, поверхнево-активні речовини та багато інших. Найбільш чутливими до токсичних речовин є метанові бактерії. Наслідком токсичної дії на них різних хімічних речовин є зменшення утворення метану аж до його повного припинення.

Токсична дія іонів важків металів на процес газовиділення при анаеробному зброджуванні осадів ілюструється наступним рядом Cr > Cu > Zn >

Cd > Ni [21]. За концентрацій менш як 200 мг/л амонійний азот позитивно впливає на зброджування осадів, однак він інгібує процес за концентрацій 1500-3000 мг/л і рН більше 7,4-7,6, а за концентрацій понад 3000 мг/л - є токсичним. Розчинні сульфіди токсичні за концентрацій понад 200 мг/л. Поверх- нево-активні речовини суттєво впливають на дію гідролітичних ферментів, блокуючи їх функціональні групи, а також блокують субстрат, сорбуючись на ньому. Негативний вплив ПАР проявляється в зменшенні газовиділення, ступеня розпаду беззольної речовини та у зміні частки участі в розпаді цієї речовини жирів, вуглеводів і білків.

Температура є одним із найважливіших параметрів, що визначає швидкість росту анаеробних мікроорганізмів і ефективність процесу зброджування.

У природі метан утворюється за температур від 0 до 97 °С. Розрізняють три основні температурні зони життєдіяльності анаеробних мікроорганізмів: психрофільну - до 20 °С (оптимум 15-17 °С), мезофільну - від 20 до 40 °С (оптимум 33-35 °С ) і термофільну - від 50 до 70 °С (оптимум 53-55 °С). У кожній зоні біохімічні процеси здійснює своя специфічна асоціація мікроорганізмів.

Температура істотним чином впливає на швидкість процесу зброджування, а значить і на необхідну його тривалість, яка, наприклад, для осадів міських стічних вод при температурах зброджування 8, 30-35 і 50-55 °С складає біля 120, 20 і 15 діб відповідно (рис. 14.17). Термофільне зброджування відрізняється від мезофільного більшою інтенсивністю й закінчується приблизно в два рази швидше, за рахунок чого вдвічі зменшується необхідний об’єм споруд. Підтримання мезофільних чи термофільних температур потребує на практиці підігрівання осадів, що призводить до ускладнення технічних рішень очисних споруд. Тому на невеликих очисних станціях зброджування осадів часто здійснюють при психрофільних температурах.

495

Рис. 14.17. Вплив температури зброджування на час, необхідний для досягнення практичного розпаду осаду (за даними Файра і Мура) [1]

Рис. 14.18. Вплив температури зброджування на вихід газу з 1 кг беззольної речовини завантажуваного осаду (1) і з 1 кг беззольної речовини осаду, що розпалася (2), (за даним Шверіна) [13]

Температура, при якій здійснюється зброджування осаду, досить суттєво впливає також і на процес газовиділення, яке значно зменшується в інтервалі температур 40-50 °С. Проте при безкінечно тривалому зброджуванні вихід газу в розрахунку на одиницю сухої речовини завантажуваного чи збродженого осаду практично однаковий як для мезофільного, так і для термофільного режимів зброджування, і визначається лише хімічним складом осаду

(рис. 14.18).

496

Навіть короткотривале порушення температурного режиму, особливо в сторону зменшення температури, призводить до гальмування процесу метаноутворення. Однак стадії гідролізу і кислотоутворення при цьому можуть проходити з тією самою інтенсивністю, що призводить до накопичення ЛЖК, зниження рН і до порушення процесу в цілому.

Вважається, що при термофільному зброджуванні досягається повна дегельмінтизація осаду, тоді як в умовах мезофільних температур гине лише 50-80 % усієї кількості яєць гельмінтів.

Основною перевагою мезофільного зброджування є забезпечення процесу теплом, що отримується від спалювання біогазу, який виділяється в процесі зброджування осаду. Підігрівання ж осаду до термофільних температур, особливо в зимовий час, потребує додаткових витрат палива. Крім цього, осад, зброджений у термофільних умовах, значно гірше віддає вологу, ніж зброджений у мезофільних умовах.

Тривалість перебування осаду в камері бродіння є одним із най-

важливіших параметрів, що визначає глибину анаеробного розпаду органічної речовини осаду. Для камер бродіння з незакріпленою біомасою необхідно, щоб мікроорганізми знаходились у них у достатній кількості, тривалість перебування їх у реакторі була достатньою для глибокого анаеробного розкладу субстрату та при цьому вони не вимивались із камер із збродженим осадом.

Тривалість перебування осаду в камері бродіння дорівнює відношенню об’єму камери до добової витрати завантажуваного осаду

де V - об’єм камери бродіння, м3; Qдоб - добова витрата осаду, м3/добу.

Величину, зворотну до тривалості перебування осаду в камері бродіння, називають добовою дозою завантаження і зазвичай виражають у відсотках:

Доза завантаження показує, скільки відсотків від загального об’єму камери бродіння складає добовий об’єм завантажуваного осаду. За дози завантаження 1 % тривалість перебування осаду в камері бродіння складає 100 діб, 4 % - 25 діб, 10 % - 10 діб і так далі.

Навантаження на камеру бродіння. Зміна вологості завантажува-

ного осаду при тій самій дозі завантаження призводить до зміни кількості сухої чи беззольної речовини осаду, яка надходить у камеру бродіння за одну добу, чи так званого навантаження на камеру бродіння.

Навантаження на камеру бродіння вимірюється в кг беззольної речовини осаду на 1 м3 об’єму камери бродіння за добу

497

які пов’язують між собою тривалість зброджування, дозу завантаження та навантаження на камеру бродіння

Очевидно, що чим більше часу беззольна речовина осаду буде перебувати в камері бродіння, тим глибше буде йти процес зброджування і навпаки. Для московських очисних станцій А.А.Карпінським отримані графіки залежності ступеня розпаду беззольної речовини осаду (рис. 14.19) та питомого

газовиділення (рис. 14.20) від навантаження на камеру бродіння Sбз [20].

Виходячи з необхідного ступеня розпаду беззольної речовини осаду, який за А.А.Карпінським складає 45-50 %, допустимі навантаження на камеру бродіння складатимуть:

а) для сирого осаду первинних відстійників

-при мезофільному режимі зброджування Sбз = 2,75-4 кг/(м3.добу);

-при термофільному режимі зброджування Sбз = 5-8 кг/(м3.добу);

б) для суміші сирого осаду первинних відстійників і надлишкового активного мулу (відношення маси за беззольними речовинами осадів 1:1)

-при мезофільному режимі зброджування Sбз = 1,75-2,25 кг/(м3.добу);

-при термофільному режимі зброджування Sбз = 3,5-6 кг/(м3.добу).

За значеннями допустимих навантажень можна легко встановити

Згідно СНиП 2.04.03-85, визначення об’єму метантенків для зброджування осадів міських стічних вод здійснюється за добовою дозою завантаження, яка визначається в залежності від вологості завантажуваного осаду й режиму зброджування (табл. 14.12). Нескладні розрахунки, виконані за формулою (14.9), показують, що допустимі навантаження при цьому прийняті рівними: 2,1-3,4 кг/(м3.добу) - при мезофільному і 4,0-6,9 кг/(м3.добу) - при термофільному режимів зброджування. За закордонними даними допустимі навантаження на метантенки при мезофільному режимі зброджування осаду приймаються рівними (кг/(м3.добу)): 0,8-1,2 - у Франції; 1,0-2,0 - в Англії; 2,5- 4,0 - у ФРН; 2,5-5,0 - у США [19].

498

Рис. 14.19. Залежність ступеня розпаду беззольної речовини осаду від навантаження на камеру бродіння [20]

Рис. 14.20. Залежність кількості газу, що виділяється в процесі зброджування 1 кг беззольної речовини, від навантаження на камеру бродіння [20]

499

Таблиця 14.12

Добова доза завантаження метантенка Д [7]

Збільшення дози завантаження більше припустимої є, звичайно, причиною розбалансування процесу зброджування. Стається це тому, що кислотогенні бактерії, які більш витривалі до різноманітних несприятливих чинників і мають швидкість росту більш високу, аніж метанові бактерії, швидко розкладають органічні речовини, що зумовлює зниження рН до рівня, токсичного для метанових бактерій. При розбалансуванні процесу зброджування необхідно: зменшити чи припинити взагалі подачу осаду в камеру бродіння; ввести луг у камеру бродіння для підвищення рН до 7-7,5; встановити необхідну температуру бродіння; збільшити концентрацію метанових бактерій у камері бродіння, для чого подати туди добре зброджений осад.

Інтенсивність перемішування. Перемішування вмісту камери бродіння здійснюють з метою забезпечення однакового використання всього її об’єму, виключення можливості утворення “мертвих” зон, запобігання розшаруванню осаду, відкладанню піску й утворенню кірки, вирівнювання температурного поля. Перемішування дозволяє також вирівняти концентрації продуктів біохімічних реакцій, а також токсичних речовин, які можуть надходити із завантажуваним осадом. Однак існує межа інтенсивності перемішування, перевищення якої може призвести до фізичного відриву окремих груп бактерій одна від одної і бактерій від субстрату.

Режим зброджування осаду буває періодичним, безперервним і напівбезперервним. У наш час у більшості випадків здійснюється періодичний процес, що пов’язане з періодичним вивантаженням осаду з первинних відстійників. Перехід на безперервне завантаження дозволяє запобігти зниженню температури в результаті надходження в камеру бродіння великої кількості погано прогрітого осаду, досягти рівномірного газовиділення й однорідності вивантажуваного осаду.

Концентрація завантажуваного осаду в камері бродіння зменшу-

ється за рахунок розпаду частини його беззольної речовини в процесі зброджування. На практиці намагаються зброджувати більш концентровані осади, що зумовлено двома основними причинами: по-перше, при зброджуванні більш концентрованого осаду можна зменшити об’єм, а значить і вартість камери бродіння, забезпечуючи при цьому необхідний ступінь розпаду беззольної речовини; по-друге, концентрація метанових бактерій зростає із збіль-

500