Главная Случайная страница


Полезное:

Как сделать разговор полезным и приятным Как сделать объемную звезду своими руками Как сделать то, что делать не хочется? Как сделать погремушку Как сделать неотразимый комплимент Как противостоять манипуляциям мужчин? Как сделать так чтобы женщины сами знакомились с вами Как сделать идею коммерческой Как сделать хорошую растяжку ног? Как сделать наш разум здоровым? Как сделать, чтобы люди обманывали меньше Вопрос 4. Как сделать так, чтобы вас уважали и ценили? Как сделать лучше себе и другим людям Как сделать свидание интересным?

Категории:

АрхитектураАстрономияБиологияГеографияГеологияИнформатикаИскусствоИсторияКулинарияКультураМаркетингМатематикаМедицинаМенеджментОхрана трудаПравоПроизводствоПсихологияРелигияСоциологияСпортТехникаФизикаФилософияХимияЭкологияЭкономикаЭлектроника






ГЛАВА 8. ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ БИОТЕХНОЛОГИЯ





8.1. АЭРОБНАЯ БИОЛОГИЧЕСКАЯ ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД

Бытовые и промышленные сточные воды представляют собой сложную смесь, в состав которой входят различные питательные веще­ства и самые разнообразные микроорганизмы, поэтому для обработки стоков необходимо такие большое количество различных протистов. Эти организмы конкурируют в потреблении питательных веществ, уни­чтожают друг друга и взаимодействуют многими другими путями, ха­рактерными для небольшой экологической системы.

В сточных водах содержится сложная смесь твердых и растворен­ных веществ, причем последние обычно присутствуют в очень малых концентрациях. На очистных станциях концентрации всех этих веществ снижают до приемлемого уровня или же химически трансформируют вредные вещества в безопасные соединения. Конкретная схема очист­ной станции зависит от степени загрязненности и количества обрабаты­ваемых стоков, а также от экономических и экологических соображе­ний. Большая часть водоочистных станций, однако, имеет много обще­го, что позволяет изобразить общую схему системы водоочистки, как на рис. 8.2. Показанные здесь различные способы переработки ила и уда­ления загрязняющих веществ отражают разные возможные пути дости­жения одной и той же цели. В типичной станции по биологической очистке сточных вод используются лишь некоторые из множества воз­можных вариантов.

Теперь перейдем к изучению общих задач и целей каждой из ос­новных операций (или последовательностей нескольких операций). В операциях первичной обработки удаляют наиболее легко отделяющиеся загрязнения, например: крупные, легкоосаждающиеся частицы (см. рис. 8.1), масляные пленки и другие «легкие» компоненты. Суспендирован­ные твердые частицы и растворимые компоненты отделяют в процессе вторичной обработки. Во многих случаях загрязняющие вещества име­ют органическую природу; в таких случаях обычно используют биоло­гическое окисление, которое мы рассмотрим детальнее чуть позже. Цель третичной обработки заключается в полном или частичном отде­лении всех оставшихся примесей. На этой стадии используются такие методы, как электродиализ, обратный осмос, фильтрование через тол­стый слой и адсорбция.



В процессе первичной обработки отделяют влажные концентри­рованные твердые вещества, называемые илом; при вторичной обработ­ке образуется активный клеточный ил. Мы неоднократно упоминали о взаимосвязи между утилизацией субстрата и образованием биомассы.

Хотя процессы вторичной биологической обработки с участием множе­ства видов микроорганизмов очень эффективны при деградации разбав­ленных смесей органических отходов, не следует забывать, что при этом образуется и биомасса. Таким путем очень мелкие нерастворимые частицы и растворенные компоненты жидких отходов частично пре­вращаются в ил, который легче поддается отделению, чем исходные за­грязняющие вещества. Установки для переработки ила являются важ­ной составной частью станций по очистке сточных вод.


pL размер 0 т Г Л! 1 г з
Примеры Валуны Камни Галька Хлопьевидные частицы
- - Юсм - - 1см - - 1МЛ)

 

 


4 - - ЮОлтм Суспендированные частицы

5 -- Юмкм Надколлоидные час/пицы

6- - Ыкм Коллоидные частицы

7- - 0,1 мкм Субколлоидные частицы

с; is tt eg s^ I § I I JL

Ю нм Растворенные вещества 04- 1нм кД 1А


 

 


Рис. 8.1. Отделение твердых частиц различной величины на различных стадиях очистки сточных вод

Для уменьшения объема ила, образующегося при очистке воды, широко применяется операция анаэробной переработки, при которой органические вещества подвергаются биологической деградации в анаэробном окружении.

Не следует думать, что во всех случаях используются все три уровня очистки сточных вод и переработки ила. Иногда сточные воды спускают в природные водоемы (ручьи, реки, пруды, озера и океан) без какой бы то ни было обработки. В других случаях применяют только первичную обработку. В то же время для большинства городских си­стем водоочистки та или иная форма вторичной обработки является обязательной, а третичная обработка в настоящее время применяется лишь изредка.



Отделение тонкоизмель-

Стерилизация

Отделение сле­довых количеств

Отделение неорганических

Рис. 8.2. Типовые операции, применяющиеся для первичной, вторичной и третичной очистки сточных вод

8.1.1. Основные характеристики сточных вод

Понятно, что природа и концентрация загрязняющих веществ в сточных водах зависят от их источника. Существуют два основных вида сточных вод - промышленные и бытовые. Последние загрязнены глав­ным образом уличным мусором, моющими средствами и экскремента­ми.

Бытовые сточные воды обычно содержат более 99 % воды, около 300 млн-1(мг/л) суспендированных твердых веществ, а также около 500 мг/л летучих веществ. Большая часть суспендированных твердых ве­ществ имеет целлюлозную природу, а другие загрязняющие органиче­ские вещества включают (в порядке убывания концентрации) жирные кислоты, углеводы и белки. Как мы уже упоминали при обсуждении процессов порчи пищевых продуктов, неприятный запах бытовых сточ­ных вод обусловлен разложением белков в анаэробных условиях.



Если учесть происхождение бытовых сточных вод, то не должен вызывать удивления тот факт, что в них содержатся различные виды почвенных и кишечных микроорганизмов, в том числе аэробные орга­низмы, облигатные и факультативные анаэробы, бактерии, дрожжи, пле­сени и грибы. Поскольку в бытовых сточных водах часто присутствуют также патогенные организмы и различные вирусы, чрезвычайно важна полная изоляция источников и трубопроводов для подачи питьевой воды от загрязнения сточными водами. Популяции микроорганизмов в сточ­ных водах служат постоянным смешанным посевным материалом для процессов биологической очистки и, кроме того, источником метаболи­ческой активности в стандартных методах определения степени загряз­нения сточных вод.


Наиболее распространенным критерием концентрации загрязня­ющих веществ в бытовых сточных водах является показатель биохими­ческой потребности в кислороде (БПК), равный количеству растворен­ного кислорода, поглощаемого единицей объема сточных вод за опре­деленное время при 20 °С. Продолжительность периода инкубации обычно указывают в виде подстрочного индекса; так, если БПК опреде­ляют по результатам инкубирования в течение пяти суток (один из при­нятых периодов), то соответствующий показатель обозначают символом БПК5. Количество растворенного кислорода, поглощаемого в ходе ин­кубации вплоть до полного прекращения биологического окисления ор­ганических веществ, называют предельной (или полной) БПК (БПКп). Этот тест, разработанный еще в 1898 г. Британской Королевской комис­сией по ликвидации отходов, должен был моделировать условия в вод­ных потоках и обеспечивать относительно прямое определение одного из наиболее вредных и опасных последствий сброса сточных вод - ис­тощения растворенного кислорода в водных бассейнах, куда сбрасыва­ются отходы. Снижение концентрации растворенного кислорода быстро приводит к гибели множества аэробных организмов, а также животных; конечным результатом истощения растворенного кислорода будет гряз­ная, неприятно пахнущая река, зараженная патогенными микроорганиз­мами.

Другим критерием потенциального снижения общей концентра­ции растворенного кислорода в водоемах, в которые поступают сточные воды, служит химическая потребность в кислороде (ХПК), равная числу миллиграммов кислорода, поглощаемого одним литром пробы (сточных вод) из горячего подкисленного раствора бихромата калия. В общем случае химическому окислению подвергается больше веществ, чем био­логической деградации, и, следовательно, величина ХПК должна быть больше величины БПК для одного и того же образца. Измерение ХПК связано с возможной степенью загрязнения естественных водоемов сточными водами не столь непосредственно, как определение БПК; с другой стороны, ХПК можно определить с помощью доступной простой аппаратуры за 2 часа, а с помощью сложных приборов - за несколько минут. БПК и ХПК являются общими и самыми грубыми индикаторами состава сточных вод. Тем не менее они дают полезную информацию о степени опасности, которую представляют сточные воды для окружаю­щей среды. Другим преимуществом показателей БПК и ХПК является возможность их определения с минимальным количеством несложной аппаратуры, причем выполнение соответствующих анализов требует лишь кратковременного обучения персонала.

Чтобы охарактеризовать качество воды, часто применяют и дру­гие параметры, в том числе концентрации фосфорсодержащих веществ (общего фосфора), азотсодержащих веществ (общего азота) и суспенди­рованных нерастворимых веществ.

Состав промышленных сточных вод определяется их происхожде­нием. Стоки промышленных предприятий часто загрязнены в гораздо большей степени, чем бытовые сточные воды. В стоках промышленных предприятий, связанных с переработкой материалов углеводородной природы, часто содержатся и ядовитые вещества, например: формальде­гид, аммиак или цианиды. Здесь возникают две взаимосвязанные про­блемы: во-первых, эти стоки чрезвычайно опасны для живых организ­мов в водоемах, куда они сбрасываются, во-вторых, они могут убивать микроорганизмы, участвующие в аэробных и анаэробных процессах пе­реработки отходов. Эффективные и достаточно экономичные методы обезвреживания подобных токсичных веществ пока еще не разработа­ны.

8.1.2. Процессы с участием активного ила

В процессах с участием активного ила основным типом оборудо­вания является проточный аэрируемый биологический реактор. Как по­казано на рис. 8.3, этот аэробный реактор (аэротенк) связан с отстойни­ком, в котором вода осветляется. Часть ила, собирающегося в отстойни­ке, обычно вновь поступает в биологический реактор, в результате чего обеспечивается постоянная инокуляция илом. Кроме того, рециркуля­ция увеличивает среднее время пребывания ила в системе, давая таким образом возможность присутствующим в нем микроорганизмам адап­тироваться к имеющимся питательным веществам. Ил должен оставать­ся в аэробном биореакторе достаточно долго и для того, чтобы окисли­лись все адсорбированные органические вещества.

tfjfaffflffW&fii ил

CycngtidvpotkHfHi>f£ 6 жидкости Втсричиый

F       Mr
Cmwffttf   > ** s* J Азро&sfcrtf Sife/iosu- vjir/cut/ реактор ^ Л г it*<x)F S it'   it-pF
nepSuvftPSQ < &тся?ойяы)са   а " а <■ активном^-  
<xF UHtHH /ДнЯги? Оля fii/я и вёесгеч&ния хасяародрм   v./^j*-'-
    Рециркуляция иЛй —.—,—*---------------------------------        
Рис. 8.3. Схема процесса очистки воды с участием активного ила

 

Одним из наиболее типичных для активного ила организмов явля­ется бактерия Zoogloea ramigera. Возможно, наиболее важной характе­ристикой как этого организма, так и многих других видов, существую­щих в активном иле, является способность синтезировать и секретиро- вать в среду полисахаридный гель. Именно наличие геля обусловливает агрегацию микроорганизмов и образование хлопьевидных скоплений (флокул), называемых активным илом. Активный ил характеризуется высоким сродством к суспендированным твердым веществам, включая коллоидальные частицы. Именно это обстоятельство служит причиной того, что первой стадией разрушения суспендированных твердых ча­стиц в сточных водах является их присоединение к флокулам. Затем, как это показано на рис. 8.4, способные к биодеградации компоненты
адсорбированных частиц претерпевают окисление организмами флоку- лы.

Для того чтобы выгоднее использовать высокую адсорбционную способность активного ила, разработан вариант обычного процесса, называемый контактной стабилизацией. Как показано на схеме (см. рис. 8.5), в этом процессе рециркулирующий осажденный ил подверга­ется повторной аэрации прежде, чем он вступит в контакт с отходами, поступающими в аэрируемый резервуар. В последнем органические ве­щества связываются с флокулами практически исключительно за счет физических сил. Биологическая утилизация связанных органических веществ происходит в основном в процессе повторной аэрации рецир- кулирующего ила; одновременно восстанавливается адсорбционная способность флокул ила.

Другие модификации процесса с участием активного ила отлича­ются от базового варианта главным образом способом осуществления контакта сточных вод, ила и воздуха в аэрируемом реакторе.

Обычный аэротенк с активным илом представляет собой узкий длинный канал (коридор), который по своим характеристикам прибли­жается к трубчатому реактору с незначительной дисперсией. Распреде­ление поступающего потока по длине реактора изменяет характеристи­ки системы таким образом, что коридорный реактор по своему поведе­нию приближается к емкостному реактору с полным перемешиванием.

Адсордция +trxuc.tTeftuc Время контакта Рис. 8.4. Разрушение органического вещества в аэрируемом реакторе периодического действия с активным илом

 

Еще ближе к реактору с полным перемешиванием бассейн круг­лой формы, содержимое которого интенсивно аэрируется с целью обес­печения массопереноса и перемешивания. В такой системе градиенты концентраций растворенного кислорода и питательных веществ мини­мальны, а развивающаяся популяция организмов активного ила часто лучше переносит флуктуации нагрузки или резкие повышения концен­траций токсичных веществ.

Помимо барботажа с перемешиванием, обычно используемого в микробиологических процессах, здесь возможно барботирование возду­ха через диффузоры, расположенные на дне или в стенках резервуара. В другом варианте на поверхности бассейна вращается мешалка с лопа­стями, создающая турбулентные течения и способствующая поглоще­нию газа. Третий вариант предусматривает перемешивание и аэрацию с помощью конуса, который забирает жидкость со дна бассейна и раз­брызгивает ее на стенки резервуара. Во всех случаях основной задачей системы аэрации и перемешивания является снабжение кислородом микроорганизмов, суспендирование и перемешивание ила и других не­растворимых компонентов системы, а также удаление летучих продук­тов метаболизма организмов ила, например СО2.

С/тточнш

Г[
Азрация

Зюи

Очищенная

Отстдибанив

SsAx


 

 


й

ал

рециркуляция i;/ia


 

 


Реазроция    
UJIS!  
Аэрация отз;о- 1 Ьв8 и ила

Сточные £ады Рециркуля­ция ила itddw/novfibtu
" Очищенная
Осадок
Шг
&

 

 


Рис. 8.5. Схемы двух процессов биологического окисления:

а) схема процесса со ступенчатой подачей стоков; б) схема процесса с контактной стабилизацией (реаэрацией ила)

Помимо высокой адсорбционной и метаболической активности хороший ил должен также быстро оседать. Например, в цилиндре через 30 мин объем осевшего активного ила должен быть примерно в 40 раз больше объема суспендированных твердых компонентов. Если этот по­казатель намного выше и объем осевшего ила превышает объем суспен­дированных твердых частиц, например, в 200 раз, то такой ил не удо-


влетворяет предъявляемым к нему требованиям, поскольку он будет вытекать из отстойника вместе с очищенными сточными водами. Такое состояние называют объемной перегрузкой; в этом случае обработанные сточные воды не будут отвечать соответствующим стандартам.

Хотя причины, вызывающие объемную перегрузку, и механизм этого явления пока еще не выяснены, изучение неудовлетворительного ила часто показывает, что в нем содержатся филаментозные бактерии и жгутиковые простейшие. Напротив, хороший ил обычно не содержит многочисленных популяций филаментозных организмов, а из простей­ших в нем присутствуют главным образом стебельчатые ресничные ви­ды. В процессе очистки воды эти простейшие выполняют полезную функцию, захватывая свободные, т. е. не включенные в флокулы, бакте­рии и таким образом осветляя обработанные сточные воды.

В нормальных условиях эксплуатации очистных станций фила- ментозные бактерии и грибы не могут конкурировать с гетеротрофными бактериями, присутствующими в хорошем иле. Резкие изменения кон­центраций загрязняющих веществ в поступающих сточных водах или грубое нарушение режима эксплуатации системы водоочистки могут, однако, привести к условиям, неблагоприятным для роста полезных по­пуляций, что, в свою очередь, позволит другим видам микроорганизмов занять доминирующее положение в системе. Отсюда следует, что ре­зультаты как объемной перегрузки, так и нормального режима работы системы водоочистки представляют собой проявления принципов кон­куренции видов в смешанных популяциях.

8.1.3. Аэробная обработка ила

Активный ил с большим содержанием биопродуктов, образую­щийся в рассмотренных выше процессах, часто подвергают еще одной операции аэробной обработки; фактически она повторяет описанную в предыдущих разделах, но в отсутствие поступления свежих сточных вод.

В таких условиях биомасса в результате эндогенного дыхания утилизирует свои же источники углерода, так что в конечном счете со­держание твердых компонентов уменьшается обычно на 50 %. В этой операции рециркуляцию биомассы не применяют, а время пребывания последней в реакторе составляет от 15-ти до 25-ти суток. Основной це­лью этой операции является уменьшение общей массы ила, подлежаще­го перевозке (сухопутным или речным транспортом) и уничтожению.

Нитрификация

В обычных процессах обработки отходов с аэрацией в числе под­вергающихся биологическому окислению субстратов имеются и азотсо­держащие органические вещества. Из последних при биологическом окислении обычно сначала образуется аммиак, который затем необхо­димо окислить до нитрита и, наконец, до нитрата; только в этом случае очищенная вода будет обладать достаточно низкой БПК.

Для оценки концентраций аммиака и нитрита в сточных водах, прошедших обработку в системе водоочистки с активным илом (эффек­тивность работы которой оценивают по снижению величины БПК до заданного уровня), за основу можно взять уравнения материальных ба­лансов по популяциям Nitrosomonas и Nitrobacter. Ниже приведен при­мер такого расчета. Если время пребывания биомассы в системе с ак­тивным илом слишком мало, то для завершения процесса нитрификации можно использовать второй аэрируемый биореактор.

8.1.4. Вторичная очистка сточных вод с помощью капельных биологических фильтров

В довольно распространенном варианте очистки сточных вод с участием активного ила применяют так называемые капельные, или перколяционные, биологические фильтры. В биологическом фильтре популяции микроорганизмов существуют в виде пленки или слизистого слоя на поверхности твердой насадки, неплотно заполняющей резервуар (доля пустот составляет около 0,5); в таких условиях воздух легко по­ступает в нижние слои насадки.

Использование термина «фильтр» для описания этой системы во­доочистки во многих отношениях неудачно, поскольку механизм обез­вреживания примесей здесь связан не с их механическим удерживани­ем, а с теми же самыми последовательными процессами связывания и биологического окисления, которые реализуются в системах с активным илом.

Подлежащие очистке сточные воды контактируют прежде всего с верхней частью неподвижного слоя, толщина которого составляет обычно от одного до трех м; сточные воды подают непрерывно через расположенные над неподвижным слоем насадки сопла или периодиче­ски с помощью вращающегося разбрызгивателя, подобного изображен­ному на рис. 8.6. И в том и в другом случае скорость потока сточных вод должна быть достаточно низкой, чтобы слой насадки не оказался под водой. Для обеспечения нужной скорости переноса кислорода по­ступающие в систему сточные воды должны обтекать покрытую слизью насадку достаточно тонким слоем, не препятствующим дыханию аэроб­ных организмов, находящихся на наружной поверхности пленки микро­организмов.

Рис. 8.6. Биологический капельный фильтр: 1 - вращающийся разбрызгиватель сточных вод; 2 - насадка; 3 -трубопровод для подачи сточных вод; 4 - дренаж; 5 - бетонная ограждающая стена;6 - отверстия для поступления воздуха

 

В отличие от процессов с участием активного ила, обычно требу­ющих принудительной аэрации, через биологический фильтр воздух циркулирует благодаря естественной конвекции. Движущей силой кон­векции является разность температур, создающаяся в фильтре за счет биологического окисления загрязняющих веществ, присутствующих в сточных водах; отверстия для поступления воздуха и связанные с ними вентиляционные трубопроводы (расположенные внутри фильтра) обес­печивают поступление воздуха в нижние и промежуточные слои насад­ки.

Возникновение и развитие анаэробных областей в толще пленки микроорганизмов приведут к формированию газовых пузырьков, кото­рые, в свою очередь, вызовут частичное отделение пленки от носителя. Образовавшиеся таким путем и унесенные из биологического фильтра потоком воды организмы часто называют гумусом; последний необхо­димо отделять в отстойнике, установленном непосредственно после биологического фильтра. С другой стороны, в результате этого процесса регулируется толщина пленки микроорганизмов, среднее значение ко­торой зависит от множества факторов. В правильно эксплуатируемом биологическом фильтре толщина пленки микроорганизмов обычно со­ставляет около 0,35 мм.

Недостатком высоконагружаемых биологических фильтров явля­ется вымывание большого количества гумуса, который необходимо от­делять в отстойнике.

Для того чтобы понять принцип работы биологического фильтра, полезно проследить за происходящими в фильтре превращениями в пространстве и времени. Предположим, что мы перемещаемся внутри фильтра сверху вниз вместе с каплей жидкости. По мере движения через неподвижный слой насадки состав жидкости изменяется во времени, что обусловлено поглощением разных компонентов различными микро­организмами. По мере изменения состава жидкой среды в ней пооче­редно развиваются преимущественно определенные виды микроорга­низмов, что, в свою очередь, приводит к изменению ее состава и затем к замене одной доминирующей популяции другой.

Теперь перенесем наблюдения в фиксированную в пространстве систему координат. То, что раньше представлялось нам как изменения в капле во времени, теперь будет иметь характер распределения в рабо­чем пространстве фильтра, эксплуатируемого в стационарном состоя­нии. Организмы, наиболее приспособленные к утилизации питательных веществ сточных вод, доминируют в верхней части слоя насадки; здесь же изобилуют прочно связанные с насадкой грибы и свободно плаваю­щие ресничные. В нижней части фильтра преобладают стебельчатые ресничные и нитрифицирующие бактерии. Среди обитателей биологи­ческих фильтров можно обнаружить и высших животных, из которых наиболее многочисленны популяции червей и личинок насекомых. Эти животные питаются организмами слизистого слоя, растущими на насад­ке фильтра; регулирование численности их популяций является важным фактором при управлении работой фильтра.

Разделение организмов в пространстве биологического фильтра позволяет каждому виду полностью адаптироваться к соответствующе­му окружению. По этой причине, в частности, низко нагружаемые био­логические фильтры обычно обеспечивают большую прозрачность и большую степень нитрификации очищенной воды, чем системы с ак­тивным илом. Кроме того, опыт эксплуатации водоочистных станций показал, что по сравнению с системами с активным илом биологические фильтры менее чувствительны к пиковым нагрузкам токсичных ве­ществ. В то же время, как показано в табл. 8.1, в некоторых отношениях системы с активным илом превосходят биологические фильтры. Пред­почтение той или иной системе водоочистки можно отдать. только после тщательного изучения характеристик сточных вод.

Таблица 8.1 Сравнение методов очистки сточных вод с помощью биологиче­ских фильтров и активного ила
Характеристики Биологические фильтры Системы с ак­тивным илом
Капитальные затраты Высокие Низкие
Эксплуатационные расходы Низкие Высокие
Площадь, занимаемая биореакторами Большая Небольшая
Регулирование аэрации Частичное (за исклю­чением систем с прину­дительной аэрацией Полное
Регулирование температуры Затруднено в силу боль­ших потерь тепла Полное; потери тепла невелики
Чувствительность к колебаниям кон­центраций загрязняющих веществ в сточных водах Низкая; восстановление чувствительности проис­ходит медленно Высокая, но вос­становление чув­ствительности происходит быст­ро
Прозрачность очищенной воды Хорошая Не очень хорошая
Неприятный запах Присутствует Отсутствует

 

Основой другого метода очистки сточных вод являются так назы­ваемые биологические пруды; этот метод очистки намного проще, чем водоочистка с помощью активного ила или биологических фильтров. В биологических окислительных прудах, напоминающих естественные водные экосистемы, в процессе фотосинтеза водоросли выделяют кис­лород; тем самым поддерживается аэробный режим, который необходим для бактерий, утилизирующих органические загрязняющие вещества. Для предотвращения образования анаэробных зон окислительные пруды обычно делают неглубокими, от 0,6 до 1,2 м глубиной. Напротив, в ста­билизирующих прудах для обработки сточных вод, содержащих оса­ждающиеся примеси, поддерживается анаэробный режим или чередова­ние во времени аэробного и анаэробного режимов.

8.2. АНАЭРОБНАЯ ПЕРЕРАБОТКА ОТХОДОВ

Отходы, содержащие значительные количества ферментируемых органических соединений, можно подвергать биологической обработке в анаэробных условиях. Хотя анаэробная обработка применяется во многих процессах, основной сферой использования этого метода явля­ется переработка избыточного активного ила (см. рис. 8.3 и 8.5), обра­зующегося при биологической очистке сточных вод. Как мы уже знаем из материала предыдущих разделов, концентрированный ил образуется

на нескольких стадиях, в том числе при отделении твердых частиц на решетках и в первичном отстойнике, а также при росте микроорганиз­мов в ходе биологического окисления (при вторичной очистке сточных вод). Ил далее концентрируют или сгущают часто путем простой седи­ментации; ликвидации ила обычно предшествует операция анаэробной биологической переработки, являющаяся одним из этапов водоочистки.

Механизм анаэробной переработки отходов, в котором участвует множество видов микроорганизмов, в самом общем и упрощенном виде можно описать следующей схемой:

Нераств°римые солюбилизация внеклеточными Раств°римые ____________ ^

органические гидролитическими ферментами органические вещества вещества

кислотообразующие ^ Бактериальная биомасса

бактерии Другие продукты

Летучие органические кислоты + СО2 + Н2

газификация

метанобразующими

бактериями

СН4 + СО2 + бактериальная биомасса

На первой стадии твердые частицы ила солюбилизируются или диспергируются внеклеточными ферментами, синтезируемыми самыми различными бактериями. В системах для анаэробной обработки ила об­наружены протеолитические, липолитические и некоторые целлюлоли- тические ферменты. Поскольку в биореакторах для анаэробной перера­ботки ила твердые вещества не накапливаются, то, очевидно, реакции солюбилизации осуществляются достаточно быстро и эта стадия не ли­митирует скорость всей последовательности превращений.

Экспериментальное изучение следующей стадии анаэробной пе­реработки ила, а именно микробиологического синтеза низкомолеку­лярных жирных и летучих кислот из растворенных органических ве­ществ, показало, что скорость осуществляющихся на этой стадии реак­ций также довольно высока. По вполне понятной причине ответствен­ные за эти превращения организмы называют кислотообразующими бактериями; они являются факультативными анаэробными гетеротро- фами и лучше всего функционируют в диапазоне рН от 4,0 до 6,5. Глав­ным продуктом этой стадии является уксусная кислота, хотя 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 адекватно эксплуатируемом биоре­акторе (метантенке) смешанная культура этих бактерий находит очень хорошие условия для своей жизнедеятельности. Имеющиеся данные свидетельствуют о том, что превращение летучих кислот в СН4 и СО2 лимитирует скорость всей последовательности превращений.

На рис. 8.7 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 рис. 8.7 указан также выносной теплообменник для поддержания повышенной температуры в резервуаре метантенка. В настоящее время в большинстве случаев температуру содержимого ме- тантенка поддерживают на уровне мезофильного диапазона (около 32­38 °С), который обеспечивает максимальную скорость переработки ила. Имеются указания на то, что скорость процесса можно повысить в еще большей степени, если осуществлять его в термофильном диапазоне (около 55 °С). Впрочем, такой температурный режим применяют срав­нительно редко; одной из причин предпочтения, отдаваемого мезо- фильному диапазону температур, является меньший расход энергии на нагревание метантенка. При эффективном перемешивании и средней температуре (32-35 оС) необходимое для полной переработки ила время его пребывания составляет от десяти до тридцати суток.

При анаэробной переработке ила образуется топливо, 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 это показано на рис. 8.7, 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), Н2 и CO.

В связи с повышением цен на топливо, однако, процессам анаэ­робной переработки ила как потенциальному источнику топлива (после обязательного удаления H2S) уделяется все большее внимание.

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 ротационного вакуум-фильтра) ил высушивают и за­тем используют в качестве удобрения, складируют или сжигают.

Рис. 8.7. Схема установки для анаэробной переработки ила: 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; 18 - возврат циркулирующей воды; 19 - верхний уровень ила.

 

ЛИТЕРАТУРА

1. Воробьев А. А. Микробиология. - М.: Медицина, 2003. -464 с.

2. Шлегель Г. Общая микробиология. - М.: Мир, 1987. - 566 с.

3. Красильников А. П. Словарь-справочник микробиологический. - Минск, 1999. - 185 с.

4. Елинов Н. П. Основы биотехнологии. - СПб: Изд-во наука, 1995. - 600 с.

5. Бейли Дж., Оллис Д. Основы биохимической инженерии. В 2-х т.- М.: Мир, 1989.

6. Сассон А. Биотехнология: свершения и надежды. - М.: Мир, 1987. - 411 с.

7. Егоров Н. С. Основы учения об антибиотиках. - М.: Изд-во МГУ, 1994.- 512 с.

8. Уэбб Ф. Биохимическая технология и микробиологический синтез. - М.: Медицина, 1969.- 562 с.

9. Биотехнология: Учеб. пособие для вузов. В 8 кн./Под ред. Н. С. Его­рова, В. Д. Самуилова. Кн. 6. - М.: Высш. шк., 1987. - 143 с.

10. Загребельный С. Н. Биотехнология. Ч. 1: Культивирование проду­центов и очистка продуктов: Учеб. пособие. - Новосибирск: Новоси­бирский гос. ун-т, 2000. - 108 с.

11. Загребельный С. Н. Биотехнология, Ч. 2. Инженерная энзимология: Учеб. пособие. - Новосибирск: Новосибирский гос. ун-т, 2001. - 138 с.

12. В. Н. Рыбчин. Основы генетической инженерии. Учебник для вузов. 2-е изд. - СПб: Изд-во СПб ГТУ, 1999. - 522 с.

Лариса Владимировна Тимощенко Марианна Валериановна Чубик








Date: 2015-09-24; view: 352; Нарушение авторских прав

mydocx.ru - 2015-2018 year. (0.034 sec.) Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав - Пожаловаться на публикацию