8.4. Характеристика анаэробных реакторов. Методика расчета менатенка. Области применения анаэробной очистки сточных вод. Сравнительный анализ эффективности работы аэробных и анаэробных реакторов.

Анаэробное метановое брожение включает 4 взаимосвязанные стадии:

1. Стадия ферментативного гидролиза нерастворенных сложных органических веществ с образованием более простых растворимых веществ.

2. Стадия кислотообразования с выделением короткоцепочечных летучих ЖК (ЛЖК), АК, спиртов, а также водорода и углекислого газа.

3. Стадия превращения ЛЖК, АК и спиртов в уксусную кислоту.

4. Метаногенная стадия – образование метана из уксусной кислоты, а также в результате реакции восстановления водородом углекислого газа.

Иногда 1 и 2 стадии объединяются в одну и процесс рассматривается как трехстадийный.

1 – ферментативные бактерии (кислотогены) - Бациллус, Микрококкус, Пзеудомонас, Клостридиум – быстрорастущие факультативные анаэробы, оптимальное рН 6,5-7,6, выделяют экзоферменты, т.е. осуществляются гидролиз и перевод тв.нерастворимых орган.веществ в растворимое состояние.

2 – ацетогены, образующие водород: CH₃CH₂COOH + 2H₂O -> CH₃COOH +CO₂ + 3H₂

3 - ацетогены, использующие водород: 4Н₂+2СО₂ – СН₃СООН +2Н₂О

4 – метаногенные бактерии – восстановление углекислоты водородом СО₂ + Н₂ – СН₄ + Н₂О

Этой группой образуется около 28% метана

5 – расщепление ацетата – образуется 72% метана. СН₃СООН – СН₄+СО₂

4 и 5 – метановые бактерии образуют метан двумя путями. В процессе могут участвовать 5 основных групп метановых бактерий, различающихся морфологически: Метанококкус, Метанобактериум, Метаноспирилиум, Метанотрикс, Метаносарцина.

Метановые бактерии – строгие анаэробы. Они весьма чувствительны к присутствию в среде растворенного кислорода и нитратов. Оптимальное значение рН 7-7,5, но могут работать и при рН 9-10, если время их пребывания не менее 20 суток. Кислород губительно действует на них уже в концентрации 0,01 мг/л.

Источники: углерода – уксусная кислота и углекислый газ, энергии – водород, азота – аммиак, серы – сульфиды, а также сульфаты и цистеин. Нуждаются в микроэлементах (калий, натрий, кальций, магний, кобальт, медь, бор, цинк, мольбден, никель и т.д.)Источники: углерода – уксусная кислота и углекислый газ, энергии – водород, азота – аммиак, серы – сульфиды, а также сульфаты и цистеин. Нуждаются в микроэлементах.

Анаэробное разложение органических веществ осуществляется сообществом микроорганизмов, составляющих трофическую цепь первичных и вторичных анаэробов. В отличие от трофических цепей микроорганизмов в аэробных процессах, где взаимоотношения между группами организмов характеризуется в основном отношением «хищник-жертва», для трофических систем при метановом сбраживании характерно использование продуктов обмена одних групп бактерий, другими.

Первичные анаэробы осуществляют стадии гидролиза и кислотообразования. Вторичные – стадии ацетогенеза и метаногенеза.

Конверсия углеводов, белков, жиров:

При разложении гемицеллюлозы и целлюлозы метаногенным консорциумом происходит 4 стадии процесса. Из гемицеллюлозы сначала образуется сложная смесь полисахаридов, которые затем распадаются на моносахариды, а из целлюлозы – сразу образуется глюкан, а далее все стадии конверсии идут одинаково. Моносахара превращаются в летучие ЖК.

При метановом сбраживании идет последовательное превращение нерастворимых белков в растворимые АК по след. Цепочке: белок – пептоны – пептиды – АК. В превращении участвуют внеклеточные ферменты.

При гидролизе жироподобные веществ распадаются на глицерин и высокомолекулярные ЖК, которые в результате других последовательно протекающих реакций превращаются в уксусную кислоту и далее в метан и угл.газ.

Количество и состав газа, получаемого при сбраживании веществ, определяется уравнением реакции.

Сбраживание происходит как с участием воды, так и без нее и может даже идти с ее выделением.

Если вода участвует в реакции, то из одного грамма распавшегося орган. вещества образуется больше 1г газа, если без участия воды, то 1 г. распад.в-ва дает 1г газа.

Применение. Анаэробные методы используются для сбраживания осадков, образующихся при биохимической очистке сточных вод, а также как первая ступень очистки очень концентрированных сточных вод (БПКполн > 4-5 г/л), содержащих органические вещества. Анаэробные реакторы могут применяться также в целях получения промежуточных продуктов для химической промышленности (например, уксусной, молочной и акриловой кислот в качестве химического сырья). Промышленное применение систем анаэробного разложения неуклонно возрастает; они используются при переработке отходов животноводческих ферм и промышленных, в том числе, пищевых отходов, а также для переработки культур, специально выращиваемых для получения энергии.

Расчёт метантенков заключается в вычислении количества образующихся на станциях осадков, выборе режима сбраживания, определении требуемого объёма сооружений и степени распада беззольного вещества осадков.

1. Количество сухого вещества осадка, образующегося на станции, т/сут, определяют по формуле Осух = Свзв ЭkQ⋅10^–6 , где С взв – концентрация взвешенных веществ в сточной воде, поступающей в первичные отстойники, Э – эффект очистки в первичных отстойниках, k – коэффициент увеличения объёма осадка за счёт крупных фракций, не улавливаемых при отборе проб для анализа, равный 1,2, Q – суточный приток сточных вод на станцию, м ³ /сут.

2. Количество сухого активного ила определяется как Исух = [0,8С взв(1 – Э) + aLen – b]Q⋅10^–6, где а – коэффициент прироста активного ила, равный 0,3, L en – БПКполн сточной воды, после первичных отстойников (поступающей в аэротенк).

3. Количество беззольного вещества осадка т/сут, вычисляют по формуле Обез = (Осух (100-Вг)(100-Зос))/10000, где В г – гигроскопическая влажность сырого осадка, ориентировочно равная 5 %, Зос – зольность осадка, равная 30 %.

4. Количество беззольного активного ила вычисляют по аналогичной формуле Ибез=(Исух(100−В′г) (100−Зил))/10000, где В′г ориентировочно также составляет 5 %, а Зил – 25 %.

5. Расход сырого осадка и избыточного ила, м³/сут определяют соответственно:

Vос = (Осух 100)/(100 − Wос)ρ_ос, Vил = (100Исух)/ (100 − W ил)ρ_ил , где W ос = 95 % и W ил = 97,3 % – влажности сырого осадка и избыточного ила, ρ_ос и ρ_ил – плотности осадка и ила, равные 1 т/м 3 .

6. Общий расход осадков:

по сухому веществу Мсух = Осух + Исух,

по беззольному Мбез = Обез + Ибез,

по объёму смеси фактической влажности Мобщ = Vос + Vил .

7. Средние величины влажности и зольности смеси находят по формулам Всм = (1−Мсух)/Мобщ * 100%,

Зсм =1 − (Мбез/(Осух (100−Вг)) /100+(Исух (100−В′ г) / 100)) 100 %.

Выбор режима сбраживания осуществляют по рекомендациям учебника.

8. Далее определяют требуемый объём метантенка Vmt = Mобщ ⋅100/Дmt, где Дmt – доза загрузки, определяемая по таблице.

9. Выход газа, м³ на 1 кг загруженного беззольного вещества при плотности газа 1 кг/м³ определяют по формуле y′= (а_см − nДmt ) / 100, где n – коэффициент влажности смеси осадка и ила, принимаемый по табл. 10. Суммарный выход газа, м³/сут определяют по формуле Г = y′ Mбез∙1000.

Для выравнивания давления газа подбирают газгольдер. Далее определяют качество сброженной смеси, то есть её влажность и зольность. В процессе сбраживания происходит распад беззольных веществ, приводящий к уменьшению массы сухого вещества и увеличению влажности осадка, причём суммарный объём смеси после сбраживания практически не меняется.

11. Масса беззольного вещества, т/сут подсчитывается как M′без = Mбез (100 − y′ 100) / 100.

Разность М сух – М без представляет собой зольную часть, не изменившуюся в процессе сбраживания.

12. Масса сухого вещества, т/сут в сброженной смеси определится как M′сух = (Mсух −Mбез) + M′без.

13. Влажность сброженной смеси, % определяется как В′см = 100 − (М′сух /Мобщ)∙100.

14. Зольность сброженной смеси будет равна З′см = 100 − (М′без ⋅ 10000/ М′сух (100 − В′′г)) , где В′′г – гигроскопичность сброженной смеси, равная 6 %. Исходя из требуемого объёма по табл. выбирают размеры метантенков (диаметр, высоту верхнего конуса, цилиндрической части и нижнего конуса, строительный объём здания обслуживания и киоска газовой сети).

Оборудование.

Септиктенки – представляют собой отстойники, в которых осевший ил подвергается анаэробной деградации. Эксплуатируются при 30-35 С. Время пребывания в них очищаемых стоков около 20 суток. Объем тенка распределяется между двумя камерами, при этом первая занимает 2/3 объема и имеет наклонное днище для удержания ила. Ил периодически (примерно 1 раз в год) удаляется, а небольшая его часть остается в биореакторе. Сброженный ил ликвидируют или закапывают. При сбраживании уменьшается объем ила, снижается содержание в нем патогенных микроорганизмов и дурной запах.

Анаэробные проточные сбраживатели такого типа применяют для биоочистки промышленных и сельскохозяйственных стоков. Особенно эффективно применение сравнительно недорогих анаэробных систем для сильнозагрязненных стоков пищевой промышленности и отходов животноводства. Эти стоки имеют высокие нагрузки по ХПК и БПК.

Для очистки навозных стоков применяют сбраживатели полного смешения. Стоки свино- и птицекомплексов освобождаются в процессе очистки на 50% ХПК, а стоки ферм крупного рогатого скота только на 30%. Происходит ингибироввание высокими концентрациями NH₄⁺ (до 4 г/л), а также органикой. Время удержания таких стоков в биореакторе объемом 600-700 м3 15-20 суток при норме суточной загрузки 20-30 м3. Биогаз, образуемый при этом содержит до 70% метана.

Биореактор небольшого объема очищает стоки средних ферм с 1200-1500 голов свиней.

Для очистки загрязненных стоков пищ. пром. применяются специально разработанные контактные анаэробные процессы. В таких процессах в первичном тенке, входящем в состав установки, поступающие стоки полностью перемешиваются за счет рециркуляции биогаза, ила или путем механического перемешивания. Кроме перемешивания фактором интенсификации процесса является изменение температуры в биореактооре. Процесс сбраживания происходит удовлетворительно в интервале двух температур: 30-35 – мезофильное брожение, 50-55 – термофильное брожение.

При термофильном брожении степень разложения несколько выше, а скорость распада органических соединений примерно в 2 раза больше, чем при мезофильном, следовательно, снижается объем реактора, но увеличиваются эксплуатационные расходы.

Сброженные стоки направляются в осветлитель, где происходит процесс осаждения ила и дополнительное образование биогаза. Уплотнившийся ил возвращают в сбраживатель, куда поступают новые порции стоков.

Если величина концентрации микроорганизмов в сбраживателе составляет 5-10 г/л возможна достаточно эффективная очистка сточных вод с содержанием ХПК до 20 кг/м3. При увеличении биомассы до 20-30 г/л возможно использование неразбавленных сточных вод с ХПК до 80 кг/м3.

Типичная схема сбраживателя с мешалкой.

СВ биогаз биогаз

очищенный сток

сбраживатель отстойник

рециркуляция уплотненного ила удаляемый ил

Схема сбраживателя с ПОС (псевдоожиженный слой) песчаной насадкой

биогаз

входной пит.

поток в-ва

выходящий сток

1. 3

2

1 – рециркуляционный контактный реактор

2 – насос

3 – сбраживатель с ПОС песчаной насадки

Реакторы с неподвижной биопленкой – анаэробные биофильтры.

В отличие от аэробных капельных биофильтров имеют более крупную насадку во избежание процессов заиливания. Применяемая для этих целей щебеночная насадка (диаметр 25-65 мм) имеет до 50% свободного объема. Скорость очищаемого потока стоков обычно низка и биомасса удерживается в свободном пространстве насадки. Предельная нагрузка по ХПК для таких систем составляет до 100 кг/м3 в сутки с умеренным количеством органики БПК около 5 кг/м3. Эффективность очистки примерно 70%.

«-» - достаточно высокая стоимость, необходимость периодической промывки материалов фильтрующего слоя.

Реакторы с расширяющимся и ПОС (второе поколение).

Реактор с восходящим потоком, содержащий насадку с частицами примерно одинакового размера, на которых может расти биопленка, является реактором с ПОС, при определенной скорости входного потока и рециркуляцией, согласно определению, расширяющийся слой выше ПОС на 10-40%, а ПОС на 30-100%

«+»

- вымывание биомассы минимально, благодаря ее адгезии к твердым частицам носителя;

- образуется тонкая плотная биопленка, содержащая в основном активную биомассу;

- использование мелких плотных частиц обеспечивает большую удельную поверхность, следовательно, будет больше объем бмиомассы в сравнительно небольшой установке;

- время пребывания жидкости в аппарате может быть невелико, что увеличивает его рентабельность.

«-»

- требуют большого инженерного обеспечения,

- требуют дополнительной энергии для образования ПОС.

Пусковой период: основным условием работы метантенка является наличие сброженного осадка – септического ила, адаптированного к данному загрязнению.

Сброженный осадок получают в пусковой период очистного сооружения. Для сокращения пускового периода в сооружение вводят зрелый осадок из работающего метантенка или других источников (например, из канализационных колодцев), т.к. свежий осадок сбраживается очень медленно (до 6 мес.)

Пусковой период сопровождается кислым брожением, при котором в иловой жидкости накапливаются ЛЖК (летучие жирные кислоты – масляная, муравьиная, уксусная), снижается рН, исчезает щелочность. Вся бродящая масса приобретает неприятный запах (выделяется идол, скотол, меркаптан) и серый цвет.

В газообразной фазе появляется сероводород, снижается содержание метана и увеличивается содержание углекислого газа.

Анализ иловой жидкости проходит по следующей схеме:

- рН

- ЛЖК, в т.ч. масляная, муравьиная, уксусная кислоты

щелочность азот-аммонийных солей.

Анализ осадка, поступающего и выгружаемого из метантенка ведут по схеме:

- сухое вещество осадка,

- гигроскопическая влажность,

- потери при прокаливании,

- жиры и масла,

- углеводы,

- геми- и альфа-целлюлозы,

- азот общий, углерод общий, фосфаты.

Газ анализируют на сероводород, углекислый газ, кислород, водород и метан.

Главные «+» анаэробной очистки:

- высокий уровень превращения углерода загрязняющих веществ при относительно небольших объемах прироста биомассы;

- получение дополнительно ценного продукта – биогаза;

- низкие энергозатраты;

- санитарная надежность.

«-»:

- необходимость герметизации метантенков;

- строительство котельных для подогрева;

- взрывоопасность;

- низкая эффективность процесса.

Ряд органических осадков и активного ила производственных сточных вод, содержащих соли тяжелых металлов, вообще невозможно обрабатывать в метантенках, т.к. токсичные компоненты этих вод могут полностью ингибировать анаэробную микрофлору.

Сравнительный анализ работы аэробных и анаэробных биореакторов.

Показатель	Аэробный	Анаэробный
1. выигрыш в биолог. Е	выс	Низ
2. саморазогрев осадка	есть	нет
3. Е уровень конечного прод.	низ	Выс
4. степень минерализац. Исх. Прод-в	глубокая	Не очень глубокая
5. прирост м/о	выс	Низ
6. чувств-ть к внешним факторам	низ	Выс
7.б/х превращения в основе процессов	1-стадийные упрощенные	Многостад.сложные
8. получение Е	нет	Есть
9. Затраты Е	большие	Малые
10. водоотдающие св-ва осадка	Улучш/ухудшаются в зав-ти от технологического процесса

Главными + анаэр. процессов очистки являются:

- высокий уровень превращения конц-ции загрязняющих вещ-в при небольшом приросте б/массы

- низкие Е затраты

- санитарная надежность

-получение биогаза

главными - :

- необходимость герметизации

- взрывоопасность

-низкая интенсивность процесса