Анаэробные методы биохимической очистки

Анаэробные методы очистки протекают без доступа кислорода; их используют в основном для сбраживания и обезвреживания осадков, образующихся при биохимической очистке производственных и бытовых сточных вод, а также как первую ступень очистки очень концентрированных промышленных сточных вод (БПКПОлн ~ 4...5 г/л), содержащих органические вещества, которые разрушаются анаэробными бактериями в процессах брожения.

Очистка в анаэробных условиях происходит под действием анаэробных микроорганизмов, в результате количество органических загрязнителей, содержащихся в сточной воде и осадках сточных вод, уменьшается благодаря превращению их в газы (метан, двуокись углерода) и растворенные соли, а также росту биомассы анаэробных растений.

Анаэробный распад (расщепление) органических веществ осуществляется в две фазы: сначала органическое вещество превращается в органические кислоты и спирты (первая группа микроорганизмов), а затем органические кислоты и спирты - в метан и двуокись углерода (вторая группа микроорганизмов). Ферментативное анаэробное расщепление белков и аминокислот называют гниением.

Брожение является процессом неполного расщепления органических веществ, преимущественно углеводов в условиях без кислорода, в результате которого образуются различные промежуточные частично окисленные продукты, такие как спирт, глицерин, муравьиная, молочная, пропионовая кислоты, бутанол, ацетон, метан и др. соединения. До 97 % органического субстрата может превращаться в такие побочные продукты и метан.

В зависимости от конечного вида продукта различают виды брожения: спиртовое, про- пионовокислое, молочнокислое, метановое и др. Конечными продуктами брожения являются: спирты, кислоты, ацетон, газы брожения (СО2, Н2, СНД.

Анаэробный процесс метановой ферментации проходит по следующей схеме:

Анаэробные процесс очистки протекает в три стадии:

  • 1) гидролиз органических соединений;
  • 2) перевод сложных органических соединений в жирные и карбоновые кислоты;
  • 3) ферментация простых органических соединений с образованием метана, углекислоты, воды, водорода и оксида углерода.

Под действием микроорганизмов в анаэробных условиях изменяется физическая структура осадка, уменьшается его масса, образуются горючие газа, снижается степень загрязнения осадка патогенными микроорганизмами.

Для очистки концентрированных сточных вод и осадков сточных вод используют метановое брожение, процесс сложный и многостадийный. Процесс метанового брожения состоит из двух фаз: кислой и щелочной (или метановой). В кислой фазе из сложных органических веществ образуются низшие жирные кислоты, спирты, аминокислоты, аммиак, глицерин, ацетон, сероводород, диоксид углерода и водород. Эти промежуточные продукты в щелочной фазе образуют метан и диоксид углерода.

Основная реакция образования метана:

где Н2А - органическое вещество, содержащее водород Н2.

Возможны и другие реакции (в присутствии и отсутствии водорода):

Метан может образовываться в результате распада уксусной кислоты:

При очистке сульфатсодержащих промышленных стоков процесс протекает при участии сульфатвосстанавливающих бактерий:

При денитрификации в анаэробных условиях происходит реакция:

При определенных условиях конечным продуктом может быть и аммиак. Основными параметрами анаэробного сбраживания является температура, доза загрузки осадка и степень его перемешивания. Процессы сбраживания ведут в мезофильных (30...35 °С) и термофильных (50...55 °С) условиях. Полного сбраживания органических веществ в метантенках достичь нельзя. В среднем степень распада органических веществ составляет около 40 %.

Стабилизация осадков сточных вод в анаэробных условиях осуществляется путем сбраживания осадка в метантенках (рис. 7.8).

Схема метантенка

Рис. 7.8. Схема метантенка:

1 - смеситель; 2 - нагреватель

Интенсификация распада органических соединений в метантенках достигается искусственным подогревом и перемешиванием осадка. Метантенки работают в мезофильных (30...35 °С) и термофильных условиях (до 50...55 °С) в зависимости от влажности исходного осадка. Повышение температуры не только ускоряет процесс сбраживания осадка, но и делает его более глубоким.

Анаэробное метановое сбраживание осадка в метантенках включает четыре взаимосвязанных стадии, осуществляемые разными группами бактерий:

  • - стадия ферментативного гидролиза;
  • - стадия кислотообразования (кислотогенная);
  • - ацетатогенная стадия;
  • - метаногенная стадия.

Расчет метантенков заключается в подсчете количества образующегося на очистной станции осадка, выборе режима сбраживания, определении требуемого объема сооружений, степени распада беззольного органического вещества осадка и выхода образующегося газа.

Определение вместимости метантенков производят в зависимости от фактической влажности осадка по суточной дозе загрузки d3,%:

где flfmax - предельная загрузка рабочего объема метантенка в сутки, г/м3; СПАВ — содержание ПАВ в осадке, мг/г сухого осадка; Woc - влажность загружаемого осадка, %.

Максимальную дозу загрузки dmax принимают в зависимости от влажности осадка.

Влажность осадка, выгружаемого из метантенка, принимают в зависимости от соотношения загружаемых компонентов по сухому веществу с учетом распада беззольного органического вещества.

Распад беззольного вещества, Rp, загружаемого осадка в зависимости от дозы загрузки, определяют по формуле

где Rmax - максимально возможное сбраживание беззольного вещества загружаемого осадка (предел распада), %; Кр - коэффициент, зависящий от влажности осадка; d3 - доза загружаемого осадка, %.

Максимально возможное сбраживание беззольного вещества загружаемого осадка (в %) может быть рассчитано, если известно содержание жиров Сж, углеводов С и белков Сб

в граммах на 1 г беззольного вещества осадка:

Общий расход осадка, кг/сут, по беззольному веществу:

где QCM - объемный расход смеси осадка, м3/сут; &без =100-sCM - количество беззольного вещества в смеси осадка, %; рсм - плотность смеси осадка, кг/м3; WCM - влажность смеси осадка, %; sCM - зольность смеси осадка, %.

Зная фактическую влажность смеси осадка, можно подсчитать объем метантенка, м3:

где QCM - объемный расход осадка, м3/сут; da — суточная доза загрузки осадка в метантенк, %.

Выход газа у', м[1] [2] [3] [4] [5] [6] на 1 кг загруженного беззольного вещества (плотность газа принята равной 1,0),

Суммарный выход, м[3]/сут, газа из метантенка:

Компостирование является биологическим методом переработки отходов, в основном твердых бытовых отходов (ТБО), с образованием компоста, который можно использовать в качестве удобрения. Компостирование проводят анаэробным способом в полевых условиях или на мусороперерабатывающих заводах. Процесс компостирования сначала проводят при повышении температуры до 60...70 °С, затем идет созревание компоста при температуре 40...50 °С.

Механизм способа не зависит от способа переработки, но в заводских условиях анаэробное компостирование проводят в оптимальных условиях в специальных установках - ферментаторах, и оно заканчивается в течение 2...4 суток.

Полевое компостирование твердых отходов является наиболее простым и дешевым способом, но срок компостирования увеличивается до нескольких месяцев. Правильно организованное компостирование обеспечивает защиту почвы, атмосферы, поверхностных и грунтовых вод от загрязнения. Технология полевого компостирования допускает совместную обработку бытовых отходов с осадками, полученными при обезвоживании коммунальнобытовых стоков (рис. 7.9).

Схема полевого компостирования ТБО и осадков сточных вод

Рис. 7.9. Схема полевого компостирования ТБО и осадков сточных вод:

  • 1 - приемный бункер; 2 - дробилка для ТБО; 3 - электромагнитный сепаратор;
  • 4 - приемный бункер для осадков сточных вод; 5 - смеситель; 6 - штабеля; 7 - грейферный кран

При проведении полевого компостирования применяют две схемы - с предварительным измельчением ТБО и без предварительного дробления. Установки полевого компостирования, оснащенные дробилками, обеспечивают больший выход компоста и дают меньше отходов.

Компостирование позволяет существенно сократить топливно-энергетические расходы на обеззараживание осадка сточных вод и улучшить его санитарно-гигиенические показатели.

  • [1] Укажите назначение биохимических процессов для защиты окружающей среды.
  • [2] На чем основан процесс биохимической очистки компонентов окружающей среды?
  • [3] Какой процесс называют биохимическим окислением?
  • [4] Какими показателями характеризуют органические вещества, подвергаемые биохимической очистке?
  • [5] В чем состоит различие между БПК и ХПК?
  • [6] Как осуществляется перенос органических веществ из обрабатываемой среды внутрьклеток микроорганизмов?
  • [7] Какой процесс называют биохимическим окислением?
 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >