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:

^Нер^аств°р^имы^е солюбилизация внеклеточными ^Раств°римы^е ^

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

ОСНОВЫ БИОТЕХНОЛОГИИ

Учебное пособие

Научный редактор доктор химических наук, профессор В. Д. Филимонов

Редактор Н. Т. Синельникова

Подписано к печати Формат 60х84/16. Бумага ксероксная. Плоская печать. Усл. печ. л. Уч.-изд. л. Тираж экз. Заказ . Цена свободная. ИПФ ТПУ. Лицензия ЛТ № 1 от 18. 07. 94. Издательство ТПУ. 634034, Томск, пр. Ленина, 30.

i oh ¹ oh

a-1,4-гликозидная