Меню
Главная
Авторизация/Регистрация
 
Главная arrow Экология arrow Инженерная экология: процессы и аппараты очистки сточных вод и переработки осадков

Биоценозы и биохимические процессы при анаэробном сбраживании

Биохимия и микробиология анаэробного метанового сбраживания сложнее, чем аэробных процессов. Выяснено, что в отличие от активного ила биоценоз метантенка представлен только бактериями.

Анаэробные биоценозы при очистке сточных вод могут представлять собой флокулы, биопленки и гранулы ила.

В процессе метаногенерации (часто называемом «метановым брожением») происходит разложение органических субстратов и загрязнений, обеззараживание и детоксикация стоков. В природе этот процесс протекает в различных средах с анаэробными условиями, например, в рубце жвачных животных, в термитниках.

Метаногенерация — сложный, многостадийный процесс, в котором исходные органические вещества последовательно превращаются в более простые с переходом значительной части углерода в метан и углекислый газ и в иловую жидкость. Биохимические и микробиологические особенности анаэробного разложения органических веществ в стоках и отходах изучены достаточно хорошо, что позволяет осуществлять эффективные биотехнологические процессы.

Метановое разложение включает четыре стадии анаэробного брожения (рис. 16.5): гидролиз, кислотную (ацидогенную), ацето- генную и метаногенную стадии (стадию газообразования). Процесс может протекать при пониженных (10—20°С, психрофильный режим), умеренных (30—37°С, мезофильный режим) и повышенных (50—55°С, термофильный режим) температурах. Течение этих стадий не строго последовательно во времени — часть субстрата может претерпевать гидролитическое расщепление при одновременном метанообразовании из продуктов разложения (рис. 16.6). В других источниках схему анаэробного метанового сбраживания представляют, как показано на рис. 16.7.

Стадии анаэробного разложения с образованием метана

Рис. 16.5. Стадии анаэробного разложения с образованием метана

Ход процесса разложения органических веществ в метантенке

Рис. 16.6. Ход процесса разложения органических веществ в метантенке:

/ — органические вещества, 2 — липиды, 3 — летучие кислоты, 4 — белок, 5 — метан

Схема анаэробного метанового сбраживания осадков

Рис. 16.7. Схема анаэробного метанового сбраживания осадков:

  • 7 — ферментативные кислотогены; 2 — ацетогены, образующие Н2;
  • 3 — ацетогены, использующие Н2; 4 — метаногены, восстанавливающие С02; 5 — метаногены, использующие ацетат; I — гидролиз;

II — кислотогенез; III — ацетогенез; IV — метаногенез

В первой стадии брожения принимают участие микроорга- низмы-гидролитики, обладающие целлюлолитической, протеолитической, амилолитической, липолитической, аммонифицирующей активностями. Содержащиеся в среде нитраты и сульфаты восстанавливаются бактериями — денитрификаторами и сульфат- редукторами. В результате ферментативного гидролиза целлюлозы и гемицеллюлозы, белки, жиры и другие компоненты гидролизуются с образованием жирных кислот, глицерина, пептидов, аминокислот, моно- и дисахаров и в небольших количествах уксусной кислоты, метанола, аммиака, водорода. В гидролизе участвуют бактерии р. Clostridium, Bacillus, а также Bacteroides, Butyrivibrio, Cellobacterium, Eubacterium, Bifidobacterium, Lactobacillus, Selenomonas. Состав доминирующей микрофлоры гидролитической стадии зависит от состава поступающих микрофлоры и субстрата. В первой фазе брожения содержание аэробных и факультативно анаэробных микроорганизмов достигает 106 кл/мл, содержание облигатных анаэробов в 100—1000 раз выше [15, 19].

На ацидогенной стадии протекают различные виды брожения: спиртовое, маслянокислое, ацетоно-бутиловое, пропионовое и др., в ходе которых бактерии-ацидогены сбраживают образующиеся продукты гидролиза, например глюкозу, до органических кислот:

Потребляя моно- и олигосахариды, аминокислоты и другие промежуточные продукты гидролиза, эти бактерии тем самым предотвращают ингибирование продуктами гидролиза гидролитических ферментов, участвующих в первой фазе брожения.

Ацидогенные бактерии, как правило, наиболее активны при pH среды от 4,5 до 7,0. Пропионовая и масляная кислоты слабее уксусной; при их образовании среда закисляется меньше, чем при образовании уксусной кислоты, что позволяет популяции поддерживать оптимальный pH. Время генерации клеток на этой стадии составляет несколько часов. Стадию кислотообразования способны осуществлять бактерии р. Bacillus, Pseudomonas, Sarcina, Micrococcus и др., многие из которых принимают участие и в первой, гидролитической, стадии брожения [15, 19].

В результате расщепления на первых двух стадиях 70—80% из образующихся органических продуктов составляют высшие жирные кислоты, до 20% — ацетат и 3—5% — водород. Среди других продуктов: изомасляная, фенилуксусная, бензойная, индолил- бензойная кислоты, NH}, H2S, бутанол, пропанол, С02 и др.

На ацетогенной стадии брожения гетероацетогенные бактерии (ацетогены) р. Clostridium, Syntrophus и др. переводят органические кислоты, например, пропионовую и масляную, прочие продукты ацидогенеза в уксусную кислоту:

Это обратимые реакции, протекающие с затратой или небольшим выходом энергии, поэтому они возможны только при низком парциальном давлении Н2 в смешанных культурах микроорганизмов, потребляющих водород. Они лимитируют весь процесс метанообразования. Потребление водорода метаногенными бактериями на последующей стадии смещает равновесие реакций в сторону образования ацетата, и бактерии-ацетогены получают из исходного субстрата больше энергии. Поэтому ацетогенные и метаногенные бактерии часто пространственно взаимосвязаны; в агрегатах, например, в гранулах анаэробного ила и в биопленках, они встречаются в непосредственной близости друг от друга. Такие субстраты, как пропионат, этанол, лактат, сначала превращаются ацетоген- ной микрофлорой в ацетат и Н2. При нарушении метаногенерации в среде сбраживания накапливаются водород, а также пропионовая, масляная и высшие жирные кислоты. Жирные кислоты в нейтральной форме в концентрации более 2 г/л токсичны для анаэробного сообщества. По достижении концентрации водорода 0,2—0,5% могут полностью прекратиться биодеградация субстрата и нарушиться метанообразование.

Конечными продуктами ацетогенной стадии являются ацетат (50-55%), Н2 (23-25%) и С02.

Основную роль в заключительной, метаногенной стадии выполняют строгие анаэробы — метанообразующие бактерии. Они более чувствительны к условиям среды. Время генерации клеток метаногенов составляет несколько суток. Их активность максимальна при pH среды от 6,8 до 7,5. При более низких и высоких значениях pH развитие метаногенов замедляется либо прекращается совсем.

Продукт реакций метаногенной стадии — СН4. Образование его возможно двумя путями. Метаногенные бактерии-литотрофы (р. Methanococcus, Methanobacterium, Methanospirillum, Methanomicro- bium, Methanogenium, Methanothermus, Methanobrevibacter) потребляют в качестве субстрата Н2 и С02, а также СО и формиат [15, 19]:

Микроорганизмы-ацетотрофы (р. Methanosarcina, Methanosaeta, Methanoplanus) используют ацетат, метанол, метиламин:

Вследствие разрушения органических кислот pH среды повышается, реакция среды становится щелочной, поэтому метаногенную стадию иногда называют «щелочным брожением».

При разложении уксусной кислоты образуется 70—75% метана, а остальные 25—30% получаются в результате синтеза из углекислоты и водорода и протекания других реакций. Соотношение конечных продуктов в процессе метанового брожения зависит от состава среды, условий ферментации и присутствующей микрофлоры.

Таким образом, в процессе метанообразования участвуют сложные метаногенные ассоциации, в которых одни члены сообщества функционируют в тесной связи с другими.

Суммарно процесс метанообразования при полном разложении органического субстрата, имеющего формулу CnWaOb (т.е. без учета новообразования биомассы), можно представить следующим образом:

При разложении глюкозы:

на 1 г глюкозы выделится 0,733 г С02 и 0,267 г СН4.

При разложении жиров состава С18Н3602:

на 1 г жиров выделится 0,775 г С02 и 0,732 г СН4.

При полном разложении белка с условной формулой (в долях от массы белка) Со.ззНодтОодз^А.ш:

на 1 г белка выделится 0,433 г С02 и 0,365 г СН4.

Таким образом, наибольшее количество биогаза и наибольшее содержание метана в биогазе наблюдаются при разложении жиров.

Биомасса микроорганизмов при метаногенном разложении состоит из 45—50% углерода, 30—40% кислорода, 7—8% водорода, 10—12% азота, 1,5—2% фосфора и 0,8—1,2% серы. Кроме того, в биомассе содержатся калий, натрий, кальций, магний и ряд микроэлементов, наиболее важные из которых — кобальт, молибден и никель.

В среднем, чтобы обеспечить формирование клеточной массы с эмпирической формулой C5H903N, оптимальное соотношение ХПК : N : Р в среде должно быть близко к 700 : 5 : 1 (при разложении загрязнений в аэробных условиях оптимальное соотношение ХПК : N : Р составляет 100 : 2-6 : 0,6-1,2).

Без учета С02, растворяющегося в иловой жидкости (в виде карбоната или гидрокарбоната), и образования биомассы при распаде 1 г жиров приведенного состава в среднем будет образовано 1420 мл газа, в котором объемная доля СН4 равна 72%, С02 — 28% (1,51 г газа на 1 г беззольного вещества). При распаде 1 г углеводов образуется 750 мл газа, содержащего по объему 50% СН4 и 50% С02 (1 г биогаза на 1 г беззольного вещества). При распаде белков приведенного состава образуется 730 мл биогаза, содержащего по объему 70% СН4 и 30% С02 (0,8 г газа на 1 г беззольного вещества). Жироподобные вещества разлагаются на 70—90%, сложные углеводоподобные — на 60—85%. Остальное частично переходит в новообразованную биомассу, частично остается не до конца разложившимся [2, 11, 12, 15].

Осадок первичных отстойников содержит 15—20% углеводов, 20—30% жироподобных веществ, 20—30% белков. Избыточный активный ил вторичных отстойников содержит 50% белков. Поэтому выход и доля метана в биогазе на единицу беззольной части осадка из первичных отстойников обычно выше, чем при разложении активного ила.

В зависимости от состава сбраживаемого субстрата объемная доля СН4 в биогазе колеблется от 50 до 75%, его теплотворная способность составляет от 20,9 до 33,4 МДж/м3.

Из 1 кг ХПК усредненных органических загрязнений образуется 0,4—0,7 м3 биогаза с типичным составом (объемная доля, %): СН4 - 60-65, С02 - 30-32, Н2 - до 2, СО - 1-2, N2 - 0,3-0,5, 02 < 0,2 (появляется из-за негерметичности биореактора при загрузке и выгрузке сырья). Причем 1 м3 биогаза такого состава имеет теплотворную способность 21—23 МДж/м3, что эквивалентно 6 кВт • ч электроэнергии, теплотворной способности 0,6 л керосина, 1,5 кг угля, 3,5 кг дров, 0,4 кг бутана.

По сравнению с окислением глюкозы до С02 и Н20 при разложении глюкозы до метана в метане биогаза сохраняется до 83% энергии. При синтезе СН4 выход энергии не превышает 2 моль АТФ (адинозинтрифосфат — элементарнй квант биологической энергии, доступный для клетки) на 1 моль СН4, поэтому рост метанообразующих бактерий требует образования значительного количества СН4, при этом 5—10% от исходного углерода переходит в клеточный материал, а остальные 90—95% — в метан. Вследствие низкого энергетического выхода (в виде АТФ) при анаэробном брожении активного ила образуется в несколько раз меньше (0,05— 0,1 кг/кг ХПК), чем при аэробном, что облегчает решение проблемы захоронения его избытка.

Конечными продуктами процесса являются сброженный осадок, метан, двуокись углерода и вода. В связи с распадом органического вещества количество сухого вещества осадка уменьшается примерно на 30%, но его объем практически мало изменяется в связи с образованием дополнительной влаги. При сбраживании осадков степень распада органического вещества колеблется от 25 до 58%, а влажность повышается на 1,3—1,6%.

Сбраживание осадков может осуществляться в мезофильном или термофильном режимах. Оптимальной для мезофильного режима является температура 30—38°С, а для термофильного — 50—57°С.

Анаэробные процессы сбраживания осадков нарушаются вследствие увеличения суточной дозы загрузки, изменения температурного режима и поступления с осадками токсичных веществ: ионов тяжелых металлов, соединений мышьяка, а также органических соединений, трудно поддающихся биохимическому разложению. В частности, применение населением и промышленностью синтетических моющих средств вызывает снижение выделения газа, даже при работе метантенков с невысокими дозами загрузки. Выход газа в зависимости от химического состава сбраживаемой смеси осадка и активного ила может колебаться от 5 (а иногда и ниже) до 20 м3/м3 смеси.

В активном иле больше азотсодержащих и фосфорсодержащих веществ, белка, но меньше углеводов и жиров по сравнению с осадком из первичных отстойников. Поэтому при его сбраживании выход газа ниже, чем при сбраживании осадка первичных отстойников. Например, опыты, проведенные на Курьяновской станции аэрации, показали, что при сбраживании смеси выход газа составил 11,5—13,2 м3/м3 смеси (570 л на 1 кг беззольного вещества); при сбраживании одного осадка из первичных отстойников он достигал 22 м3, а одного активного ила — снижался до 6,1 м3.

При сбраживании в термофильных условиях на Люберецкой станции аэрации (г. Москва) осадка из первичных отстойников влажностью 94% и зольностью 30,5% в смеси с уплотненным избыточным активным илом влажностью 97,5% и зольностью 27,6% при дозе загрузки 14% по объему распад беззольного вещества составлял 46,5%, а выход биогаза — 0,4 м3 с 1 кг беззольного вещества или 11,3 м3 с 1 м3 загружаемой смеси.

Оба режима сбраживания осадков — мезофильный (33°С) и термофильный (53°С) — получили достаточно широкое применение. Последний имеет преимущества в санитарном отношении, так как

обеспечивает дегельминтизацию осадка. Кроме того, поскольку дозы загрузки при термофильном режиме примерно в 2 раза больше, чем при мезофильном, появляется возможность сократить объемы метантенков, а следовательно, и капитальные затраты на их строительство.

Сбраживание осадков как в мезофильных, так и в термофильных условиях снижает их водоотдающую способность. Как видно из табл. 16.2, 16.3, удельное сопротивление осадков фильтрации наиболее возрастает при сбраживании осадка в термофильных условиях. Сбраживание также повышает БПК и ХПК иловой воды, удаляемой из осадков. При сбраживании изменяется структура осадков. Крупные частицы размельчаются, что приводит к увеличению количества связанной воды в сброженном осадке и соответственно снижению водоотдающей способности [14, 15, 19, 24].

Таблица 16.2

Изменение удельного сопротивления в процессе стабилизации осадков

Тип осадка

Влажность, %

Предел аэрации, сут

Удельное сопротивление R, см/г

Активный ил: неуплотненный

99,0-99,7

До аэрации

100-940

7-10

30-250

уплотненный в течение 10— 12 ч

96,9-97,5

До аэрации

800-1700

8-12

4000-6250

концентрированный в стабилизаторе

98,0-98,6

6-7

40-200

Смесь осадков:

первичных отстойников и активного неуплотненного ила

98,5-99,2

До аэрации

190-430

10-12

170-180

первичных отстойников и активного уплотненного ила

95,5-97,0

До аэрации

600-1200

10-15

2470-6720

первичных отстойников и активного ила, концентрированная в стабилизаторе

98,0-98,5

6-10

40-200

Примечание: R=r 10-10.

Таблица 16.3

Изменение удельного сопротивления осадков в процессе анаэробного сбраживания в метантенках

Тип осадка

% сухого вещества

Количество органической части осадка, % от сухого вещества

Удельное сопротивление фильтрации R, м/кг

Осадок первичных отстойников городских, сточных вод

3,9-6,4

62,5-75,0

64-690

сброженный в мезофильных условиях

3,6-5,3

51,7-64,0

307-740

сброженный в термофильных условиях

3,3-6,7

50,6-61,0

890-1992

Смесь осадка первичных отстойников и уплотненного активного ила

3,7-5,2

70,0-75,1

1014-4035

сброженная в мезофильных условиях

2,0-4,1

62,2-70

1700-6750

сброженная в термофильных условиях

2,3-3,2

61,2-67

7350-9500

Примечание'. R=r• 10-10.

 
Посмотреть оригинал
Если Вы заметили ошибку в тексте выделите слово и нажмите Shift + Enter
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >
 

Популярные страницы