Биохимическое окисление органических веществ в анаэробных условиях

В настоящее время промышленность и жилые массивы производят большое количество отходов, которые необходимо утилизировать и переработать. Утилизация разнообразных органических отходов, жидких стоков различных отраслей промышленности, сельского хозяйства, бытовой деятельности человека является актуальной проблемой, требующей немалых затрат. Наиболее экономически целесообразным методом очистки сточных вод является биологический. Он основывается на уникальной способности отдельных микроорганизмов минерализовывать загрязнения, содержащиеся в сточных водах. Таким образом, после проведения процедуры биологической очистки органические вещества гораздо проще отделить от чистой воды.

Объекты и методы исследования

Для выполнения настоящей работы в лабораторных условиях были смонтированы пилотные установки, содержащие блоки анаэробной обработки, выполненные с учетом технологического масштабирования, обеспечивающие получение реальных технологических параметров, позволяющих провести комплекс экспериментальных исследований процессов биологической обработки органосодержащих отходов. При проведении экспериментальных исследований использовались общепринятые методики физико-химического, биохимического и микробиологического анализа, описанные в официальных изданиях.

Результаты исследований

Современная биологическая очистка сточных вод основывается на двух технологиях – аэробной и анаэробной обработки.

Аэробная биологическая очистка стоков происходит с участием анаэробных бактерий, жизнедеятельность которых основывается на кислородном дыхании. Разложение органических веществ в аэробных условиях осуществляется микроорганизмами, которые окисляют сложные органические соединения углерода, азота, серы, фосфора, железа и других элементов в простые неорганические формы.

Анаэробная очистка сточных вод от органических загрязнений представляет собой процесс минерализации отходов микроорганизмами без непосредственного участия в процессе кислорода, содержащегося в воздухе.

Биологические процессы, происходящие при анаэробном сбраживании сточных вод и осадков, в своей основе аналогичны. На целом ряде промышленных производств образуются высококонцентрированные сточные воды, в которых содержание органических веществ оценивается десятками граммов в 1 л (по БПК). На первой стадии биологической очистки такие сточные воды могут сбраживаться анаэробным способом, позволяющим существенным образом снизить уровень загрязнений. На городских станциях очистки анаэробному сбраживанию подвергают отходы аэробной биологической очистки – сырой осадок из первичных отстойников и избыточный активный ил из вторичных отстойников.

Особенностью органосодержащих отходов очистных сооружений является их способность удерживать большое количество воды. Влажность сырого осадка первичных отстойников обычно составляет 92–96%, а влажность избыточного активного ила вторичных отстойников даже после предварительного уплотнения составляет не менее 97%. Сухое вещество отходов включает органическую или беззольную часть и золу. Содержание беззольного вещества в осадке из первичных отстойников составляет 65–75%, в активном иле – 70–75%. Органическая часть сырого осадка представляет собой сконцентрированные примеси городских сточных вод, а беззольное вещество активного ила – загрязнения сточных вод, трансформированные в биомассу.

В составе беззольного вещества отходов содержатся три класса органических соединений: белки, жиры и углеводы. В сумме эти соединения составляют 75–85% беззольного вещества осадка и ила. Остальные 15~25% представляют собой негидролизуемый остаток, называемый лигнино-гумусовым комплексом.

Состав стоков, осадка и ила изменчив, и это характерно для сточных вод, т.к. данные показатели зависят от нескольких факторов – вида стоков, равномерности поступления на очистные сооружения, вида и концентрации присутствующих загрязнений. Органические вещества, содержащиеся в осадках сточных вод, имеют способность быстро загнивать, а наличие в них бактериальных загрязнений (например, яйца гельминтов) создает опасность распространения инфекций. Основная задача обработки осадков – их обезвреживание: получение безопасного в санитарном отношении продукта. Анаэробные технологии позволяют переработать различные отходы в эффективное экологически чистое удобрение и/или энергию.

Анаэробное окисление органических компонентов осуществляется в два этапа анаэробной обработки, которые реализуются различными видами биоценоза микроорганизмов.

В первой (кислотной) стадии брожения содержащиеся в отходах органические вещества под влиянием анаэробной микрофлоры расщепляются на сложные органические соединения (белки, углеводы и др.), которые трансформируются в органические кислоты жирного ряда. Вначале образуются уксусная и масляная кислоты со следами валериановой, изовалериановой, муравьиной и капроновой кислот. Большое количество анионов уксусной кислоты уменьшает активную реакцию среды рН до 6,0–5,0, что приводит к снижению активности бактерий, участвующих в первой фазе брожения.

Во второй (метановой) фазе метановые бактерии разлагают образовавшиеся кислоты, в результате чего выделяется метан и углекислый газ. Метанобразующие бактерии являются строгими анаэробами, медленно развивающимися и очень чувствительными к температуре и изменениям рН окружающей среды. Метанобразующие бактерии являются ключевыми организмами анаэробного сбраживания, трансформирующими органические кислоты и спирты в метан (СН 4 ) и двуокись углерода (СО 2 ).

Виды метанообразующих бактерий – Methanobacterium, Methanococcus, Methanosarcina. Все метаногенные бактерии – облигатные анаэробы, они чувствительны даже к слабым окислителям. Оптимальные значения рН ограничены 6,8–7,5. Данного рода бактерии очень медленно размножаются: время генерации составляет от 24 часов до нескольких суток.

Кислотообразующие бактерии представлены облигатными и факультативными анаэробами. Из бродящего осадка разными исследователями выделено от 50 до 92 видов бактерий; из общего количества их около половины составляют спорообразующие формы. К числу основных относятся бактерии родов Clostridium, Bacillus, Pseudomonas, Micrococcus, Bacte-roides, Escherichia.

Процесс сбраживания характеризуется составом и объемом выделяющегося газа, качеством иловой воды, химическим составом сброженного осадка. Нарушение процесса может быть результатом перегрузки сооружения, изменения температурного режима, поступления с осадком токсичных веществ и т.д. Нарушение проявляется в накоплении жирных кислот, снижении щелочности иловой воды, падении рН. Резко уменьшается объем образующегося газа, увеличивается содержание в газе угольной кислоты и водорода – продуктов кислой фазы брожения. Кислотообразующие бактерии, ответственные за первую фазу брожения, более выносливы ко всякого рода неблагоприятным условиям, в том числе и к перегрузкам. Скорость первой фазы при этом возрастает, в среде появляется большое количество жирных кислот.

Для обеспечения стабильности сбраживания и исключения потери устойчивости между кислотным и метановым сбраживанием должно поддерживаться строго определенное балансовое равновесие. В противном случае возможно полное блокирование конечного процесса – метанового сбраживания (газ не горит, ил не стабилизируется, появляется гнилостный неприятный запах). Биологическое равновесие между кислотной и метановой фазами оценивается несколькими критериями (таблица).

Критерии оценки биологического равновесия между кислотной и метановой фазами

Критерий	Критерий нормального процесса	Критерий срывного режима
рН	6,8–7,2	< 6,7
Летучие кислоты, мг/л	< 500	> 1000
Производство газа, м3/кг летучих веществ	0,8–1	< 0,5
Снижение концентрации летучих веществ, %	40–50	< 30
Содержание СО 2 в газовом выхлопе, %	65–70	< 50
Пенообразование в метантенке (качественная оценка)	нет	пена

Большое значение для нормального сбраживания осадка сточных вод имеет, в частно сти, наличие в них таких веществ, которые угнетают или парализуют жизнедеятельность микроорганизмов, осуществляющих процесс сбраживания осадка. Поэтому вопрос о возможности совместной очистки производственных и бытовых сточных вод следует разрешать в каждом отдельном случае в зависимости от их характера и физико-химического состава.

В случае срыва баланса равновесия между двумя процессами (кислотным и метановым брожением) период восстановления весьма трудоемок и занимает во времени несколько месяцев.

Анаэробные способы очистки применяются, как правило, для сбраживания высококонцентрированных стоков и отходов (сырых осадков и биомассы ила), содержащих большое количество органических веществ. Процессы брожения осуществляются в специальных аппаратах – метантенках, которые работают в двух режимах: мезофильном (30–35ºС) или термофильном (50–55ºС). При термофильном режиме биогаз выделяется примерно в два раза быстрее и достигается полное обезвреживание осадков, но этот процесс менее устойчив и непостоянен, чем мезофильный, поэтому большие промышленные установки работают обычно в мезофильном режиме.

Формирование микрофлоры метантенка происходит за счет микроорганизмов, попавших вместе со сточными водами или осадком. По видовому составу биоценоз метантенков значительно беднее аэробных биоценозов.

В результате жизнедеятельности биоценоза метантенка происходит снижение концентрации органических загрязнений в отходах или сточных водах с одновременным образованием биогаза. Общее количество и процентное соотношение компонентов биогаза (метана и диоксида углерода) во многом определяется исходным составом сбраживаемой среды. Так, при распаде 1 г жироподобных веществ в среднем образуется 1200 мл газа, состоящего из СН 4 – 68%, СО 2 – 32%. При распаде углеводоподобных соединений образуется около 800 мл газа из одного грамма, состав газа при этом: СН 4 – 50%, СО 2 – 50%. Различным является и предел сбраживания органических соединений. Например, жироподобные вещества сбраживаются на 70%, а углеводоподобные – на 62,5%.

Для более полного проведения процесса анаэробного сбраживания необходимы два условия – это тщательное перемешивание и эффективность систем подвода тепла.

Перемешивание нужно для предотвращения слипания, осаждения крупных частиц или образования пены. Оно также способствует удалению газа и установлению одинаковой температуры во всем объеме реактора. Существует два основных способа перемешивания – с помощью механических устройств и за счет рециркуляции газа. При отсутствии перемешивания выход биогаза за сутки снижается почти в 3 раза.

Эффективность системы подвода тепла определяется способом его ввода в процесс. Подвод тепла может осуществляться либо прямым вводом острого пара, либо с помощью теплоносителей (как правило, воды). В любом случае для получения нужной температуры на начальной стадии процесса необходимо сжигание некоторого количества биогаза, производимого при анаэробном сбраживании.

Заключение

Применение анаэробных технологий очистки сточных вод и обработки осадков является трудным и затратным методом. Использование для технологических нужд произведенного горючего газа позволяет обеспечить полную автономность работы станций очистки сточных вод.