Реферат Анаэробная очистка воды
Работа добавлена на сайт bukvasha.net: 2015-10-28Поможем написать учебную работу
Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
от 25%
Подписываем
договор
План
Стр.
Введение……………………………………………………………….….…2
1. Биологическая очистка воды: аэробный и анаэробный процессы….…3
2. Особенности анаэробных процессов, происходящих при биологической очистке……………………………………………………..6
3. Установки для анаэробной переработки сточных вод………………..10
Выводы……………………………………………………………………...14
Список литературы………………………………………………………...15
Введение
Еще в городах древнего Египта, Греции и Рима существовали канализационные системы, по которым отходы жизнедеятельности людей и животных транспортировались в водоемы - реки, озера и моря. В Древнем Риме перед сбросом в Тибр канализационные стоки накапливались и выдерживались в накопительном пруде-отстойнике - клоаке. В Средние века этот опыт был в значительной степени забыт, помои, экскременты людей и животных, выливались на городские улицы и удалялись эпизодически. Это являлось причиной загрязнения и заражения источников питьевой воды и приводило к возникновению эпидемий холеры, тифа, амебной дизентерии и др.
В начале 19 века в Англии был изобретен туалет с водяным смывом. Возникла очевидная необходимость в обработке сточных вод и предотвращения их попадания в источники питьевой воды. Сточные воды собирали и выдерживали в больших емкостях, осадок использовали в качестве удобрений.
В начале двадцатого века были разработаны интенсивные системы очистки бытовых сточных вод, включая поля орошения, где вода очищалась, фильтруясь через почву, струйные фильтры со щебневой и песчаной загрузкой, а также резервуары с принудительной аэрацией - аэротенки. Последние являются основным узлом современных станций аэробной очистки городских сточных вод. Первоначально основной целью очистки стоков являлось их обеззараживание. Понимание важности качественной очистки сточных вод для охраны природных водоемов пришло позже.
Проблема чистой воды является одной из актуальнейших проблем наступившего века. В настоящее время разработаны и развиваются современные технологии очистки сточных вод. Наибольший интерес и перспективу имеют естественные и самые дешевые биологические методы очистки, представляющие собой интенсификацию природных процессов разложения органических соединений микроорганизмами в аэробных или анаэробных условиях.
Цель реферата: рассмотреть метод анаэробной очистки сточных вод, выяснить его преимущества.
1. Биологическая очистка воды: аэробный и анаэробный процессы
Биологическая очистка предполагает деградацию органической составляющей сточных вод микроорганизмами (бактериями и простейшими). На данном этапе происходит минерализация сточных вод, удаление органического азота и фосфора, главной целью является снижение БПК5 (биохимическая потребность в кислороде за 5 суток, необходимая для окисления органических соединений находящихся в воде). По существующим нормам, содержание органических веществ в очищенной воде не должно превышать 10 мг/л.
В биоочистке могут использоваться как аэробные, так и анаэробные организмы.
Деградация органических веществ микроорганизмами в аэробных и в анаэробных условиях осуществляется с разными энергетическими балансами суммарных реакций. Рассмотрим и сравним эти процессы.
При аэробном биоокислении глюкозы 59% энергии, содержащейся в ней, расходуется на прирост биомассы и 41% составляют тепловые потери. Этим обусловлен активный рост аэробных микроорганизмов. Чем выше концентрация органических веществ в обрабатываемых стоках, тем сильнее разогрев, выше скорость роста микробной биомассы и накопления избыточного активного ила.
Аэробный процесс:
С6Н12О6 +6О2 --> 6СО2 +6Н2О + микробная биомасса + тепло
При анаэробной деградации глюкозы с образованием метана лишь 8% энергии расходуется на прирост биомассы, 3% составляют тепловые потери и 89% переходит в метан. Анаэробные микроорганизмы растут медленно и нуждаются в высокой концентрации субстрата.
Анаэробный процесс:
С6Н12О6 --> 3СН4 + 3СО2 + микробная биомасса + тепло
Аэробное микробное сообщество представлено разнообразными микроорганизмами, в основном бактериями, окисляющими различные органические вещества в большинстве случаев независимо друг от друга, хотя окисление некоторых веществ осуществляется путем соокисления (кометаболизм). Аэробное микробное сообщество активного ила систем аэробной очистки воды представлено исключительным биоразнообразием. В последние годы с помощью новых мокулярно-биологических методов, в частности специфических рРНК проб, в активном иле показано присутствие бактерий родов Paracoccus, Caulobacter, Hyphomicrobium, Nitrobacter, Acinetobacter, Sphaerotilus, Aeromonas, Pseudomonas, Cytophaga, Flavobacterium, Flexibacter, Halisomenobacter, Artrobacter, Corynebacterium, Microtrix, Nocardia, Rhodococcus, Bacillus, Clostridium, Lactobacillus, Staphylococcus. Считается, однако, что к настоящему времени идентифицировано не более 5% видов микроорганизмов, участвующих в аэробной очистке воды.
Следует отметить, что многие аэробные бактерии являются факультативными анаэробами. Они могут расти в отсутствии кислорода за счет других акцепторов электрона (анаэробное дыхание) или брожения (субстратное фосфорилирование). Продуктами их жизнедеятельности являются углекислота, водород, органические кислоты и спирты.
Анаэробная деградация органических веществ, при метаногенезе осуществляется как многоступенчатый процесс, в котором необходимо участие по меньшей мере четырех групп микроорганизмов: гидролитиков, бродильщиков, ацетогенов и метаногенов. В анаэробном сообществе между микроорганизмами существуют тесные и сложные взаимосвязи, имеющие аналогии в многоклеточных организмах, поскольку ввиду субстратной специфичности метаногенов, их развитие невозможно без трофической связи с бактериями предыдущих стадий. В свою очередь метановые археи, используя вещества, продуцируемые первичными анаэробами, определяют скорость реакций, осуществляемых этими бактериями. Ключевую роль в анаэробной деградации органических веществ до метана играют метановые археи родов Methanosarcina, Methanosaeta (Methanothrix), Мethanomicrobium и другие. При их отсутствии или недостатке анаэробное разложение заканчивается на стадии кислотогенного и ацетогенного брожений, что приводит к накоплению летучих жирных кислот, в основном масляной, пропионовой и уксусной, снижению рН и остановке процесса.
Преимуществом аэробной очистки является высокая скорость и использование веществ в низких концентрациях. Существенными недостатками, особенно при обработке концентрированных сточных вод, являются высокие энергозатраты на аэрацию и проблемы, связанные с обработкой и утилизацией больших количеств избыточного ила. Аэробный процесс используется при очистке бытовых, некоторых промышленных и свиноводческих сточных вод с ХПК не выше 2000. Исключить указанные недостатки аэробных технологий может предварительная анаэробная обработка концентрированных сточных вод методом метанового сбраживания, которая не требует затрат энергии на аэрацию и более того сопряжена с образованием ценного энергоносителя – метана.
Преимуществом анаэробного процесса является также относительно незначительное образование микробной биомассы. К недостаткам следует отнести невозможность удаления органических загрязнений в низких концентрациях. Но для глубокой очистки концентрированных сточных вод анаэробную обработку следует использовать в комбинации с последующей аэробной стадией (Рис. 1.).
Рис. 1. Сравнение материального и энергетического балансов методов аэробной и анаэробной очистки сточных вод.
Выбор технологии и особенности обработки сточных вод определяются содержанием органических загрязнений в них.
2. Особенности анаэробных процессов, происходящих при биологической очистке
Итак, анаэробная биохимическая очистка (метановое брожение или ферментация) - это минерализация органического вещества промышленных или бытовых стоков в результате его окисления при содействии анаэробных микроорганизмов в процессе использования ими этого вещества в качестве источника питания.
1)
2)
Биологическое разложение сложных органических соединений происходит в т
ечение нескольких фаз, следующих друг за другом, в результате воздействия различных групп бактерий. В это время постоянно образуются и разлагаются различные промежуточные продукты. Очень укрупненно можно выделить четыре основные стадии (Рис.2).
При анаэробном преобразовании органических субстратов в метан под воздействием микроорганизмов (бактерии, анаэробный ил) должны быть последовательно реализованы четыре стадии разложения. Отдельные группы органических загрязнений (углеводы, протеины, липиды/жиры) в процессе гидролиза преобразуются сначала в соответствующие мономеры (сахара, аминокислоты, жирные кислоты). Далее эти мономеры в ходе ферментативного разложения (ацидогенеза) преобразуются в короткоцепочечные органические кислоты, спирты и альдегиды, которые затем окисляются дальше в уксусную кислоту, что связано с получением водорода. Только после этого доходит очередь до образования метана на этапе метаногенеза. В качестве побочного продукта наряду с метаном образуется также и углекислый газ (СО2) (Рис.3).
Рис. 3.Этапы разложения анаэробного преобразования
Все процессы преобразования тесно взаимосвязаны друг с другом и должны протекать в емкости анаэробного реактора в строго установленном порядке, т.к. любое нарушение одного из промежуточных этапов приводит к нарушению всего процесса. Поэтому для больших объёмов очистки требуется точное проектирование очистных сооружений и их настройка на соответствующую сточную воду.
Для сточных вод с однородным составом на практике осуществляются далеко не все возможные реакции разложения. На так называемом адаптивном этапе осуществляется выбор определенного пути разложения органических веществ в результате жизнедеятельности соответствующих микроорганизмов.
В зависимости от того, какой класс органических веществ преобладает в сточной воде, меняется состав биогаза и доля метана в нем. Углеводы в большинстве случаев разлагаются легко, однако они дают сравнительно меньшую долю метана. При разложении жиров и масел образуется большее количество биогаза с высоким содержанием в нем метана, однако разлагаются они очень медленно.
Кроме того, жирные кислоты, образующиеся как побочные продукты при разложении жиров и масел, могут препятствовать всему процессу разложения.
Для практики эксплуатации очистных сооружений, прежде всего, очень важен тот факт, что все эти различные фазы должны протекать в сточной воде одновременно. Разложение сложных органических веществ до метана будет происходить настолько быстро, насколько быстро в сточной воде будут образовываться вещества, пригодные для питания метанобразующих бактерий. Метанобразующие бактерии могут использовать в качестве питательного субстрата уксусную кислоту, водород (Н2), оксид углерода (СО2) или метанол (для очистных сооружений несущественно).
Процессы гидролиза и солюбилизации нерастворимых в воде веществ (полимеры, эмульсии...) протекают медленно и требуют создания системы с длительностью пребывания в течение многих дней.
Однако в большинстве своем лимитирующей фазой по скорости протекания реакций является ацетогенная фаза (процесс образования уксусной кислоты). При пуско-наладочных работах, особенно при нештатных ситуациях или при превышении проектной нагрузки на анаэробные очистные сооружения, концентрация органических кислот, особенно пропионовой и уксусной, может сильно повыситься. Высокая концентрация органических кислот в комбинации с вытекающим из этого низким значением рН тормозит протекание ацетогенных и метаногенных процессов. В экстренных случаях очень низкое значение рН может привести к подавлению жизнедеятельности биоценоза очистных сооружений.
В закрытых анаэробных системах органические соединения в отсутствие кислорода разлагаются и превращаются друг в друга без окислительных реакций. Общее значение ХПК (химическое потребление кислорода) остается в системе в течение всего времени постоянно. Однако значение ХПК в сточной воде, содержащей органические соединения, которые благодаря метановому брожению превращаются в биогаз, снижается за счет удаления из воды ХПК - метана, образующегося в процессе очистки. Этот процесс может быть описан следующей формулой:
СН4 + 2О2 СО2 + 2Н2О 16
В пищевой промышленности и в быту, где высока загрязненность сточных вод органическими соединениями, применение анаэробных методов очистки сточных вод особенно выгодно. Если образующийся на очистных сооружениях биогаз эффективно использовать, например, для получения горячей воды или пара, то очистные сооружения могут функционировать с прибылью.
Но не везде целесообразно использование анаэробных систем. При малом содержании биологических веществ в поступающих сточных водах в анаэробных системах не будет полного окисления таких стоков.
Анаэробные установки особенно подходят для сточных вод с высоким значением ХПК и БПК. При особо жестких требованиях к качеству очищенных сточных вод, особенно при сбросе очищенных сточных вод в поверхностные водоемы, возможно сочетание анаэробной и аэробной очистки. Такие очистные сооружения надежно функционируют в различных климатических условиях, в том числе и в Украине.
3. Установки для анаэробной переработки сточных вод
Сточные воды, содержащие значительные количества ферментируемых органических соединений, подвергают биологической обработке в отсутствии кислорода в анаэробных условиях. Хотя анаэробная обработка применяется во многих процессах биотехнологии, основной сферой использования этого метода является переработка избыточного активного ила, образующегося при биологической очистке сточных вод. Концентрированный ил образуется на нескольких стадиях, в том числе при отделении твердых частиц на решетках фильтров и в первичном отстойнике, а также при росте микроорганизмов в ходе биологического окисления (при вторичной очистке сточных вод). Ил далее концентрируют или сгущают путем простой седиментации (отстаивания); ликвидации ила обычно предшествует стадия анаэробной биологической переработки, являющаяся одним из этапов водоочистки.
Механизм анаэробной переработки отходов, в котором участвует множество видов микроорганизмов, в самом общем виде можно описать следующей схемой:
На первой стадии твердые частицы ила усваиваются (солюбилизируются) внеклеточными ферментами, синтезируемыми самыми различными бактериями. В системах для анаэробной обработки ила фиксируются протеолитические, липолитические и некоторые целлюлолитические ферменты. Поскольку в биореакторах для анаэробной переработки ила твердые вещества не накапливаются, поэтому реакции осуществляются достаточно быстро и эта стадия не лимитирует скорость всей последовательности превращений.
Экспериментальное изучение следующей стадии анаэробной переработки ила - микробиологического синтеза низкомолекулярных жирных и летучих кислот из растворенных органических веществ, показало, что скорость осуществляющихся на этой стадии реакций также довольно высока. Ответственные за эти превращения организмы называют кислотообразующими бактериями; они являются факультативными анаэробными гетеротрофами и лучше всего функционируют в диапазоне рН от 4,0 до 6,5. Главным продуктом этой стадии является уксусная кислота, но в некоторых количествах образуются также пропионовая и масляная кислоты.
Важнейшим субстратом для последней стадии процесса является уксусная кислота; показано, что около 70% всего метана образуется именно из этого субстрата. Стадия газификации осуществляется с участием метанобразующих бактерий, являющихся облигатными анаэробами. Эти организмы проявляют наибольшую активность в гораздо более узком диапазоне рН от 7,0 до 7,8; их сложно выделить в виде соответствующих чистых культур, но в эксплуатируемом биореакторе (метантенке) смешанная культура этих бактерий находит очень хорошие условия для своей жизнедеятельности. Имеющиеся данные свидетельствуют о том, что превращение летучих кислот в аммиак (NH3) и диоксид углерода (СО2) лимитирует скорость всей последовательности превращений, описываемой уравнением реакции.
На рис. 4 представлена схема аппарата для анаэробной переработки ила (метантенка). Для предотвращения чрезмерного повышения локальных концентраций кислот содержимое метантенка перемешивают. Создание условий, удовлетворительных как для кислотообразующих, так и для метанобразующих бактерий, обеспечивается поддержанием рН около 7. На рисунке указан также выносной теплообменник для поддержания повышенной температуры в резервуаре метантенка. В большинстве случаев температуру содержимого метантенка поддерживают на уровне мезофильного диапазона (около 32—38°С), который обеспечивает максимальную скорость переработки ила. Имеются предпосылки на то, что скорость процесса можно повысить в еще большей степени, если осуществлять его в термофильном диапазоне (около 55 °С). Однако, такой температурный режим применяют сравнительно редко; одной из причин предпочтения, отдаваемого мезофильному диапазону температур, является меньший расход энергии на нагревание метантенка. При эффективном перемешивании и средней температуре (32—35°С) необходимое для полной переработки ила время его пребывания в аппарате составляет от 10 до 30 сут.
Рис. 4 Схема установки для анаэробной переработки ила. (Из работы: Аткинсон Б., Биохимические реакторы. — М.: Пищевая промышленность, 1989.).
1—смотровые окна; 2 — труба для выхода газа; 3 — предохранительный клапан для регулирования давления (вакуума); 4 — пламягаситель; 5 — трубопровод для отвода газа; 6 — возвратная вода; 7—возвратная циркулирующая вода и расширительная камера; 8 — регулируемый слив суспензии ила; 9 — регулятор уровня; 10—вывод из камеры с илом; 11 — возврат воды в нагреватель; 12 — выпуск переработанного ила; 13 — дренажные трубы; 14 — подача сырого ила; 15 — газ; 16 — подача циркулирующей воды; 17—выносной теплообменник; /S — возврат циркулирующей воды; 19 — верхний уровень ила.
При анаэробной переработке ила в метанотенке образуется биотопливо (биогаз), которое можно использовать для снижения эксплуатационных расходов водоочистных станций. Иногда образующийся при анаэробной переработке ила метан используют вне водоочистной станции для выработки тепла и электроэнергии. Газовая смесь, образующаяся при анаэробной переработке ила и накапливающаяся, как показано на рисунке, в верхней части метантенка, состоит в основном из метана (65—70%) и углекислого газа.
В небольших концентрациях в этой смеси содержатся также сероводород (продуцируемый сульфатредуцирующими бактериями), водород и углекислый газ. Газовая смесь обладает теплотворной способностью от 5800 до 6700 ккал/м3 и образуется с выходом 0,75—1,12 м3 из 1 кг переработанных органических веществ.
В результате анаэробной переработки ил легче поддается последующим операциям. Во-первых, содержание органических веществ в иле снижается на 50—60%. Во-вторых, существенные изменения претерпевают и концентрации других компонентов ила. После анаэробной переработки ил в гораздо меньшей степени подвержен гниению и легче обезвоживается. После обезвоживания (эту операцию часто осуществляют с помощью вакуумной фильтрации) ил высушивают и затем используют в качестве удобрения.
Выводы
В настоящее время весьма серьезное внимание уделяется проблеме предотвращения загрязнения водоемов, сбрасываемыми в них бытовыми и производственными сточными водами.
Методам биологической очистки отводится большая роль в общем комплексе очистки воды от загрязнений.
Биологический анаэробный метод очистки сточных вод – это процесс разрушения органических веществ микроорганизмами при отсутствии кислорода.
Анаэробные биологические методы применяются в различных отраслях промышленности для очистки сточных вод, загрязненных органическими соединениями. Эти методы привлекательны тем, что в процессе очистки сточных вод от органических загрязнений, то есть, в уменьшении концентрации ХПК, в качестве конечного продукта образуется биогаз, который можно сжигать, получая либо тепло, либо электричество. Кроме того, при использовании анаэробных методов не образуется большого количества избыточного активного ила.
К качеству очищенных сточных вод, сбрасываемых в водоемы, предъявляются все более высокие требования. Поэтому при выборе технологической схемы необходимо учитывать всё факторы (вид загрязняющих веществ, их концентрацию и т.д.), влияющие на качество очистки.
Список литературы:
1. Аткинсон Б., Биохимические реакторы. — М.: Пищевая промышленность, 1989.
2. Дж. Бейлли, Д. Оллис. Основы биохимической инженерии. М. Мир, 1989, 2 Т.
3. Евилович А.З. "Утилизация осадков сточных вод" М: Стройиздат, 2004.
4. Ксенофонтов Б.С. Очистка сточных вод: флотация и сгущение осадков / Б.С. Ксенофонтов. - М.: Химия, 2002.
5. Ксенофонтов Б.С. Очистка воды и почвы флотацией / Б.С. Ксенофонтов, - М.: Новые технологии, 2001.
6. Охрана производственных сточных вод и утилизация осадков Под редакцией В.Н. Соколова М: Стройиздат, 1992.
7. Хенце М. Очистка сточных вод: Пер. с англ. / М. Хенце и др. - М.: Мир, 2004.
Стр.
Введение……………………………………………………………….….…2
1. Биологическая очистка воды: аэробный и анаэробный процессы….…3
2. Особенности анаэробных процессов, происходящих при биологической очистке……………………………………………………..6
3. Установки для анаэробной переработки сточных вод………………..10
Выводы……………………………………………………………………...14
Список литературы………………………………………………………...15
Введение
Еще в городах древнего Египта, Греции и Рима существовали канализационные системы, по которым отходы жизнедеятельности людей и животных транспортировались в водоемы - реки, озера и моря. В Древнем Риме перед сбросом в Тибр канализационные стоки накапливались и выдерживались в накопительном пруде-отстойнике - клоаке. В Средние века этот опыт был в значительной степени забыт, помои, экскременты людей и животных, выливались на городские улицы и удалялись эпизодически. Это являлось причиной загрязнения и заражения источников питьевой воды и приводило к возникновению эпидемий холеры, тифа, амебной дизентерии и др.
В начале 19 века в Англии был изобретен туалет с водяным смывом. Возникла очевидная необходимость в обработке сточных вод и предотвращения их попадания в источники питьевой воды. Сточные воды собирали и выдерживали в больших емкостях, осадок использовали в качестве удобрений.
В начале двадцатого века были разработаны интенсивные системы очистки бытовых сточных вод, включая поля орошения, где вода очищалась, фильтруясь через почву, струйные фильтры со щебневой и песчаной загрузкой, а также резервуары с принудительной аэрацией - аэротенки. Последние являются основным узлом современных станций аэробной очистки городских сточных вод. Первоначально основной целью очистки стоков являлось их обеззараживание. Понимание важности качественной очистки сточных вод для охраны природных водоемов пришло позже.
Проблема чистой воды является одной из актуальнейших проблем наступившего века. В настоящее время разработаны и развиваются современные технологии очистки сточных вод. Наибольший интерес и перспективу имеют естественные и самые дешевые биологические методы очистки, представляющие собой интенсификацию природных процессов разложения органических соединений микроорганизмами в аэробных или анаэробных условиях.
Цель реферата: рассмотреть метод анаэробной очистки сточных вод, выяснить его преимущества.
1. Биологическая очистка воды: аэробный и анаэробный процессы
Биологическая очистка предполагает деградацию органической составляющей сточных вод микроорганизмами (бактериями и простейшими). На данном этапе происходит минерализация сточных вод, удаление органического азота и фосфора, главной целью является снижение БПК5 (биохимическая потребность в кислороде за 5 суток, необходимая для окисления органических соединений находящихся в воде). По существующим нормам, содержание органических веществ в очищенной воде не должно превышать 10 мг/л.
В биоочистке могут использоваться как аэробные, так и анаэробные организмы.
Деградация органических веществ микроорганизмами в аэробных и в анаэробных условиях осуществляется с разными энергетическими балансами суммарных реакций. Рассмотрим и сравним эти процессы.
При аэробном биоокислении глюкозы 59% энергии, содержащейся в ней, расходуется на прирост биомассы и 41% составляют тепловые потери. Этим обусловлен активный рост аэробных микроорганизмов. Чем выше концентрация органических веществ в обрабатываемых стоках, тем сильнее разогрев, выше скорость роста микробной биомассы и накопления избыточного активного ила.
Аэробный процесс:
С6Н12О6 +6О2 --> 6СО2 +6Н2О + микробная биомасса + тепло
При анаэробной деградации глюкозы с образованием метана лишь 8% энергии расходуется на прирост биомассы, 3% составляют тепловые потери и 89% переходит в метан. Анаэробные микроорганизмы растут медленно и нуждаются в высокой концентрации субстрата.
Анаэробный процесс:
С6Н12О6 --> 3СН4 + 3СО2 + микробная биомасса + тепло
Аэробное микробное сообщество представлено разнообразными микроорганизмами, в основном бактериями, окисляющими различные органические вещества в большинстве случаев независимо друг от друга, хотя окисление некоторых веществ осуществляется путем соокисления (кометаболизм). Аэробное микробное сообщество активного ила систем аэробной очистки воды представлено исключительным биоразнообразием. В последние годы с помощью новых мокулярно-биологических методов, в частности специфических рРНК проб, в активном иле показано присутствие бактерий родов Paracoccus, Caulobacter, Hyphomicrobium, Nitrobacter, Acinetobacter, Sphaerotilus, Aeromonas, Pseudomonas, Cytophaga, Flavobacterium, Flexibacter, Halisomenobacter, Artrobacter, Corynebacterium, Microtrix, Nocardia, Rhodococcus, Bacillus, Clostridium, Lactobacillus, Staphylococcus. Считается, однако, что к настоящему времени идентифицировано не более 5% видов микроорганизмов, участвующих в аэробной очистке воды.
Следует отметить, что многие аэробные бактерии являются факультативными анаэробами. Они могут расти в отсутствии кислорода за счет других акцепторов электрона (анаэробное дыхание) или брожения (субстратное фосфорилирование). Продуктами их жизнедеятельности являются углекислота, водород, органические кислоты и спирты.
Анаэробная деградация органических веществ, при метаногенезе осуществляется как многоступенчатый процесс, в котором необходимо участие по меньшей мере четырех групп микроорганизмов: гидролитиков, бродильщиков, ацетогенов и метаногенов. В анаэробном сообществе между микроорганизмами существуют тесные и сложные взаимосвязи, имеющие аналогии в многоклеточных организмах, поскольку ввиду субстратной специфичности метаногенов, их развитие невозможно без трофической связи с бактериями предыдущих стадий. В свою очередь метановые археи, используя вещества, продуцируемые первичными анаэробами, определяют скорость реакций, осуществляемых этими бактериями. Ключевую роль в анаэробной деградации органических веществ до метана играют метановые археи родов Methanosarcina, Methanosaeta (Methanothrix), Мethanomicrobium и другие. При их отсутствии или недостатке анаэробное разложение заканчивается на стадии кислотогенного и ацетогенного брожений, что приводит к накоплению летучих жирных кислот, в основном масляной, пропионовой и уксусной, снижению рН и остановке процесса.
Преимуществом аэробной очистки является высокая скорость и использование веществ в низких концентрациях. Существенными недостатками, особенно при обработке концентрированных сточных вод, являются высокие энергозатраты на аэрацию и проблемы, связанные с обработкой и утилизацией больших количеств избыточного ила. Аэробный процесс используется при очистке бытовых, некоторых промышленных и свиноводческих сточных вод с ХПК не выше 2000. Исключить указанные недостатки аэробных технологий может предварительная анаэробная обработка концентрированных сточных вод методом метанового сбраживания, которая не требует затрат энергии на аэрацию и более того сопряжена с образованием ценного энергоносителя – метана.
Преимуществом анаэробного процесса является также относительно незначительное образование микробной биомассы. К недостаткам следует отнести невозможность удаления органических загрязнений в низких концентрациях. Но для глубокой очистки концентрированных сточных вод анаэробную обработку следует использовать в комбинации с последующей аэробной стадией (Рис. 1.).
Рис. 1. Сравнение материального и энергетического балансов методов аэробной и анаэробной очистки сточных вод.
Выбор технологии и особенности обработки сточных вод определяются содержанием органических загрязнений в них.
2. Особенности анаэробных процессов, происходящих при биологической очистке
Итак, анаэробная биохимическая очистка (метановое брожение или ферментация) - это минерализация органического вещества промышленных или бытовых стоков в результате его окисления при содействии анаэробных микроорганизмов в процессе использования ими этого вещества в качестве источника питания.
Процессы анаэробного окисления протекают без доступа молекулярного кислорода, при этом источником кислорода в воде служат кислородосодержащие анионы: и т.д. В основе метода лежит способность определенных микроорганизмов в ходе своей жизнедеятельности сначала гидролизовать сложные органические соединения, а затем с помощью метанообразующих бактерий превращать их в метан и угольную кислоту. В качестве примера можно привести две возможные схемы процессов ферментации глюкозы:
1) 
2)
Биологическое разложение сложных органических соединений происходит в т
Рис.2 Стадии биологического разложения сложных органических соединений
При анаэробном преобразовании органических субстратов в метан под воздействием микроорганизмов (бактерии, анаэробный ил) должны быть последовательно реализованы четыре стадии разложения. Отдельные группы органических загрязнений (углеводы, протеины, липиды/жиры) в процессе гидролиза преобразуются сначала в соответствующие мономеры (сахара, аминокислоты, жирные кислоты). Далее эти мономеры в ходе ферментативного разложения (ацидогенеза) преобразуются в короткоцепочечные органические кислоты, спирты и альдегиды, которые затем окисляются дальше в уксусную кислоту, что связано с получением водорода. Только после этого доходит очередь до образования метана на этапе метаногенеза. В качестве побочного продукта наряду с метаном образуется также и углекислый газ (СО2) (Рис.3).
Рис. 3.Этапы разложения анаэробного преобразования
Все процессы преобразования тесно взаимосвязаны друг с другом и должны протекать в емкости анаэробного реактора в строго установленном порядке, т.к. любое нарушение одного из промежуточных этапов приводит к нарушению всего процесса. Поэтому для больших объёмов очистки требуется точное проектирование очистных сооружений и их настройка на соответствующую сточную воду.
Для сточных вод с однородным составом на практике осуществляются далеко не все возможные реакции разложения. На так называемом адаптивном этапе осуществляется выбор определенного пути разложения органических веществ в результате жизнедеятельности соответствующих микроорганизмов.
В зависимости от того, какой класс органических веществ преобладает в сточной воде, меняется состав биогаза и доля метана в нем. Углеводы в большинстве случаев разлагаются легко, однако они дают сравнительно меньшую долю метана. При разложении жиров и масел образуется большее количество биогаза с высоким содержанием в нем метана, однако разлагаются они очень медленно.
Кроме того, жирные кислоты, образующиеся как побочные продукты при разложении жиров и масел, могут препятствовать всему процессу разложения.
Для практики эксплуатации очистных сооружений, прежде всего, очень важен тот факт, что все эти различные фазы должны протекать в сточной воде одновременно. Разложение сложных органических веществ до метана будет происходить настолько быстро, насколько быстро в сточной воде будут образовываться вещества, пригодные для питания метанобразующих бактерий. Метанобразующие бактерии могут использовать в качестве питательного субстрата уксусную кислоту, водород (Н2), оксид углерода (СО2) или метанол (для очистных сооружений несущественно).
Процессы гидролиза и солюбилизации нерастворимых в воде веществ (полимеры, эмульсии...) протекают медленно и требуют создания системы с длительностью пребывания в течение многих дней.
Однако в большинстве своем лимитирующей фазой по скорости протекания реакций является ацетогенная фаза (процесс образования уксусной кислоты). При пуско-наладочных работах, особенно при нештатных ситуациях или при превышении проектной нагрузки на анаэробные очистные сооружения, концентрация органических кислот, особенно пропионовой и уксусной, может сильно повыситься. Высокая концентрация органических кислот в комбинации с вытекающим из этого низким значением рН тормозит протекание ацетогенных и метаногенных процессов. В экстренных случаях очень низкое значение рН может привести к подавлению жизнедеятельности биоценоза очистных сооружений.
В закрытых анаэробных системах органические соединения в отсутствие кислорода разлагаются и превращаются друг в друга без окислительных реакций. Общее значение ХПК (химическое потребление кислорода) остается в системе в течение всего времени постоянно. Однако значение ХПК в сточной воде, содержащей органические соединения, которые благодаря метановому брожению превращаются в биогаз, снижается за счет удаления из воды ХПК - метана, образующегося в процессе очистки. Этот процесс может быть описан следующей формулой:
СН4 + 2О2 СО2 + 2Н2О 16
Органические вещества в процессе очистки на анаэробных очистных сооружениях не полностью превращаются в биогаз. Меньшая часть образует биомассу (избыточный активный ил) - от 5 до 15% от общего количества загрязнений. Некоторая часть биогаза ( от 0 до 5%) теряется или остается растворенной в воде, вытекающей из реактора ( от 30 до 50 мл/л).
В пищевой промышленности и в быту, где высока загрязненность сточных вод органическими соединениями, применение анаэробных методов очистки сточных вод особенно выгодно. Если образующийся на очистных сооружениях биогаз эффективно использовать, например, для получения горячей воды или пара, то очистные сооружения могут функционировать с прибылью.
Но не везде целесообразно использование анаэробных систем. При малом содержании биологических веществ в поступающих сточных водах в анаэробных системах не будет полного окисления таких стоков.
Анаэробные установки особенно подходят для сточных вод с высоким значением ХПК и БПК. При особо жестких требованиях к качеству очищенных сточных вод, особенно при сбросе очищенных сточных вод в поверхностные водоемы, возможно сочетание анаэробной и аэробной очистки. Такие очистные сооружения надежно функционируют в различных климатических условиях, в том числе и в Украине.
3. Установки для анаэробной переработки сточных вод
Сточные воды, содержащие значительные количества ферментируемых органических соединений, подвергают биологической обработке в отсутствии кислорода в анаэробных условиях. Хотя анаэробная обработка применяется во многих процессах биотехнологии, основной сферой использования этого метода является переработка избыточного активного ила, образующегося при биологической очистке сточных вод. Концентрированный ил образуется на нескольких стадиях, в том числе при отделении твердых частиц на решетках фильтров и в первичном отстойнике, а также при росте микроорганизмов в ходе биологического окисления (при вторичной очистке сточных вод). Ил далее концентрируют или сгущают путем простой седиментации (отстаивания); ликвидации ила обычно предшествует стадия анаэробной биологической переработки, являющаяся одним из этапов водоочистки.
Механизм анаэробной переработки отходов, в котором участвует множество видов микроорганизмов, в самом общем виде можно описать следующей схемой:
На первой стадии твердые частицы ила усваиваются (солюбилизируются) внеклеточными ферментами, синтезируемыми самыми различными бактериями. В системах для анаэробной обработки ила фиксируются протеолитические, липолитические и некоторые целлюлолитические ферменты. Поскольку в биореакторах для анаэробной переработки ила твердые вещества не накапливаются, поэтому реакции осуществляются достаточно быстро и эта стадия не лимитирует скорость всей последовательности превращений.
Экспериментальное изучение следующей стадии анаэробной переработки ила - микробиологического синтеза низкомолекулярных жирных и летучих кислот из растворенных органических веществ, показало, что скорость осуществляющихся на этой стадии реакций также довольно высока. Ответственные за эти превращения организмы называют кислотообразующими бактериями; они являются факультативными анаэробными гетеротрофами и лучше всего функционируют в диапазоне рН от 4,0 до 6,5. Главным продуктом этой стадии является уксусная кислота, но в некоторых количествах образуются также пропионовая и масляная кислоты.
Важнейшим субстратом для последней стадии процесса является уксусная кислота; показано, что около 70% всего метана образуется именно из этого субстрата. Стадия газификации осуществляется с участием метанобразующих бактерий, являющихся облигатными анаэробами. Эти организмы проявляют наибольшую активность в гораздо более узком диапазоне рН от 7,0 до 7,8; их сложно выделить в виде соответствующих чистых культур, но в эксплуатируемом биореакторе (метантенке) смешанная культура этих бактерий находит очень хорошие условия для своей жизнедеятельности. Имеющиеся данные свидетельствуют о том, что превращение летучих кислот в аммиак (NH3) и диоксид углерода (СО2) лимитирует скорость всей последовательности превращений, описываемой уравнением реакции.
На рис. 4 представлена схема аппарата для анаэробной переработки ила (метантенка). Для предотвращения чрезмерного повышения локальных концентраций кислот содержимое метантенка перемешивают. Создание условий, удовлетворительных как для кислотообразующих, так и для метанобразующих бактерий, обеспечивается поддержанием рН около 7. На рисунке указан также выносной теплообменник для поддержания повышенной температуры в резервуаре метантенка. В большинстве случаев температуру содержимого метантенка поддерживают на уровне мезофильного диапазона (около 32—38°С), который обеспечивает максимальную скорость переработки ила. Имеются предпосылки на то, что скорость процесса можно повысить в еще большей степени, если осуществлять его в термофильном диапазоне (около 55 °С). Однако, такой температурный режим применяют сравнительно редко; одной из причин предпочтения, отдаваемого мезофильному диапазону температур, является меньший расход энергии на нагревание метантенка. При эффективном перемешивании и средней температуре (32—35°С) необходимое для полной переработки ила время его пребывания в аппарате составляет от 10 до 30 сут.
Рис. 4 Схема установки для анаэробной переработки ила. (Из работы: Аткинсон Б., Биохимические реакторы. — М.: Пищевая промышленность, 1989.).
1—смотровые окна; 2 — труба для выхода газа; 3 — предохранительный клапан для регулирования давления (вакуума); 4 — пламягаситель; 5 — трубопровод для отвода газа; 6 — возвратная вода; 7—возвратная циркулирующая вода и расширительная камера; 8 — регулируемый слив суспензии ила; 9 — регулятор уровня; 10—вывод из камеры с илом; 11 — возврат воды в нагреватель; 12 — выпуск переработанного ила; 13 — дренажные трубы; 14 — подача сырого ила; 15 — газ; 16 — подача циркулирующей воды; 17—выносной теплообменник; /S — возврат циркулирующей воды; 19 — верхний уровень ила.
При анаэробной переработке ила в метанотенке образуется биотопливо (биогаз), которое можно использовать для снижения эксплуатационных расходов водоочистных станций. Иногда образующийся при анаэробной переработке ила метан используют вне водоочистной станции для выработки тепла и электроэнергии. Газовая смесь, образующаяся при анаэробной переработке ила и накапливающаяся, как показано на рисунке, в верхней части метантенка, состоит в основном из метана (65—70%) и углекислого газа.
В небольших концентрациях в этой смеси содержатся также сероводород (продуцируемый сульфатредуцирующими бактериями), водород и углекислый газ. Газовая смесь обладает теплотворной способностью от 5800 до 6700 ккал/м3 и образуется с выходом 0,75—1,12 м3 из 1 кг переработанных органических веществ.
Поскольку по своей теплотворной способности биогаз значительно уступает природному газу (около 8900 ккал/м3), то при наличии достаточных запасов последнего биогаз не представляется удобным или привлекательным топливом. Однако, в связи с постоянным повышением цен на нефть, процессам анаэробной переработки ила как потенциальному источнику топлива (после обязательного удаления сероводорода (H2S)) уделяется все большее внимание в ведущих биотехнологических компаниях мира. Он может быть использован для обогрева самого метантенка, в котором происходит анаэробное брожение. Например, в США животноводческий комплекс, имеющий 500 голов свиней, за счет сжигания метана, образующегося при анаэробной очистке сточных вод, может не только обеспечивать себя электроэнергией, но и иногда в летнее время ее продавать.
В результате анаэробной переработки ил легче поддается последующим операциям. Во-первых, содержание органических веществ в иле снижается на 50—60%. Во-вторых, существенные изменения претерпевают и концентрации других компонентов ила. После анаэробной переработки ил в гораздо меньшей степени подвержен гниению и легче обезвоживается. После обезвоживания (эту операцию часто осуществляют с помощью вакуумной фильтрации) ил высушивают и затем используют в качестве удобрения.
В свою очередь образующиеся после анаэробной биохимической очистки сточные воды могут быть использованы для выращивания водорослей типа хлореллы, которые затем предназначаются на корм скоту.
Выводы
В настоящее время весьма серьезное внимание уделяется проблеме предотвращения загрязнения водоемов, сбрасываемыми в них бытовыми и производственными сточными водами.
Методам биологической очистки отводится большая роль в общем комплексе очистки воды от загрязнений.
Биологический анаэробный метод очистки сточных вод – это процесс разрушения органических веществ микроорганизмами при отсутствии кислорода.
Анаэробные биологические методы применяются в различных отраслях промышленности для очистки сточных вод, загрязненных органическими соединениями. Эти методы привлекательны тем, что в процессе очистки сточных вод от органических загрязнений, то есть, в уменьшении концентрации ХПК, в качестве конечного продукта образуется биогаз, который можно сжигать, получая либо тепло, либо электричество. Кроме того, при использовании анаэробных методов не образуется большого количества избыточного активного ила.
Следует отметить, что эффективность биологической очистки на самых современных очистных установках составляет 90% по органическим веществам и 20-40% по неорганическим веществам.
Но, к сожалению не всякие сточные и природные воды могут быть очищены биологическими методами, так как не все органические вещества разлагаются под действием микроорганизмов. Так, не могут быть очищены воды, содержащие более 1000 мг/л фенолов, 300-500 мг/л спиртов, 25 мг/л нефтепродуктов. Практически не разрушаются бензин, красители, мазут и т.д.
К качеству очищенных сточных вод, сбрасываемых в водоемы, предъявляются все более высокие требования. Поэтому при выборе технологической схемы необходимо учитывать всё факторы (вид загрязняющих веществ, их концентрацию и т.д.), влияющие на качество очистки.
Список литературы:
1. Аткинсон Б., Биохимические реакторы. — М.: Пищевая промышленность, 1989.
2. Дж. Бейлли, Д. Оллис. Основы биохимической инженерии. М. Мир, 1989, 2 Т.
3. Евилович А.З. "Утилизация осадков сточных вод" М: Стройиздат, 2004.
4. Ксенофонтов Б.С. Очистка сточных вод: флотация и сгущение осадков / Б.С. Ксенофонтов. - М.: Химия, 2002.
5. Ксенофонтов Б.С. Очистка воды и почвы флотацией / Б.С. Ксенофонтов, - М.: Новые технологии, 2001.
6. Охрана производственных сточных вод и утилизация осадков Под редакцией В.Н. Соколова М: Стройиздат, 1992.
7. Хенце М. Очистка сточных вод: Пер. с англ. / М. Хенце и др. - М.: Мир, 2004.
