Особенности анаэробных процессов, происходящих при биологической очистке

Биологическое разложение сложных органических соединений происходит в течение нескольких фаз, следующих друг за другом, в результате воздействия различных групп бактерий. В это время постоянно образуются и разлагаются различные промежуточные продукты. Очень укрупненно можно выделить четыре основные стадии.

Детали этих процессов широко известны, и о них можно осведомиться в специальной литературе. Для практики эксплуатации очистных сооружений прежде всего очень важен тот факт, что все эти различные фазы должны протекать в сточной воде одновременно. Разложение сложных органических веществ до метана будет происходить настолько быстро, насколько быстро в сточной воде будут образовываться вещества, пригодные для питания метанобразующих бактерий. Метанобразующие бактерии могут использовать в качестве питательного субстрата уксусную кислоту, водород (Н2), оксид углерода (СО2) или метанол (для очистных сооружений несущественно).

Процессы гидролиза и солюбилизации нерастворимых в воде веществ (полимеры, эмульсии...) протекают медленно и требуют создания системы с длительностью пребывания в течение многих дней.

Однако в большинстве своем лимитирующей фазой по скорости протекания реакций является ацетогенная фаза (процесс образования уксусной кислоты). При пуско-наладочных работах, особенно при нештатных ситуациях или при превышении проектной нагрузки на анаэробные очистные сооружения, концентрация органических кислот, особенно пропионовой и уксусной, может сильно повыситься. Высокая концентрация органических кислот в комбинации с вытекающим из этого низким значением рН тормозит протекание ацетогенных и метаногенных процессов. В экстренных случаях очень низкое значение рН может привести к подавлению жизнедеятельности биоценоза очистных сооружений.

Расчет выхода биогаза при применении анаэробного метода очистки.

В закрытых анаэробных системах органические соединения в отсутствие кислорода разлагаются и превращаются друг в друга без окислительных реакций. Общее значение ХПК (химическое потребление кислорода) остается в системе в течение всего времени постоянно. Однако значение ХПК в сточной воде, содержащей органические соединения, которые благодаря метановому брожению превращаются в биогаз, снижается за счет удаления из воды ХПК - метана, образующегося в процессе очистки. Этот процесс может быть описан следующей формулой:

СН4 + 2О2 СО2 + 2Н2О 16

молекулярная масса 2x32

1 молярный объем метана (= 22,4 л) соответствует таким образом 64 г кислорода (потребности): 0,350 Nm3 метана = 1 кг ХПК Органические вещества в процессе очистки на анаэробных очистных сооружениях не полностью превращаются в биогаз. Меньшая часть образует биомассу (избыточный активный ил) - от 5 до 15% от общего количества загрязнений. Некоторая часть биогаза ( от 0 до 5%) теряется или остается растворенной в воде, вытекающей из реактора ( от 30 до 50 мл/л).

Поэтому для очистных сооружений правильнее рассчитывать выход биогаза из соотношения нетто от 0,30 до 0,33 Nm3 метана на кг снижения значения ХПК. Так как биогаз содержит зачастую примерно 60 -70% метана и около 30% оксида углерода, выход биогаза можно рассчитывать по следующей формуле:

0,5 Nm3 метана = 1 кг ХПК

Приведенное сравнение особенно ясно показывает, что в пищевой промышленности и в быту, где высока загрязненность сточных вод органическими соединениями, применение анаэробных методов очистки сточных вод особенно выгодно. Если же образующийся на очистных сооружениях биогаз эффективно использовать, например, для получения горячей воды или пара, то очистные сооружения могут функционировать с прибылью.

Но не везде целесообразно использование анаэробных систем. Из вышеуказанного сравнения видно, что при малом содержании биологических веществ в поступающих сточных водах в анаэробных системах не будет полного окисления таких стоков. В таких случаях помогут лишь аэробные системы очистки с полным циклом окисления, какими являются AC «TOPAS». Несмотря на превос¬ходящие финансовые затраты в сравнении с анаэробными системами, аэротенки обеспечивают на сегодняшний день самую высокую очистку сточных вод. До недавнего времени такие системы работали преимущественно на больших объёмах стоков. Но в связи с развитием технического и экономического уровня развитых стран стали появляться разработки автономных систем очистки сточных вод индивидуального пользования на основе аэротенка. Принимая во внимание опыт предыдущих разработок в этой области и учитывая дальнейшие перспективы этого направления, в недавнем прошлом была создана уникальная система автономной очистки сточных вод небольших объёмов «TOPAS». Эти установки идеально подходят для индивидуального использования в российских условиях и не требуют больших финансовых затрат, что сразу делает такие системы вне конкуренции на потребительском рынке страны.

Анаэробные установки особенно подходят для сточных вод с высоким значением ХПК и БПК. При особо жестких российских требованиях к качеству очищенных сточных вод, особенно при сбросе очищенных сточных вод в поверхностные водоемы, возможно сочетание анаэробной и аэробной очистки. Такие очистные сооружения надежно функционируют в различных климатических условиях, в том числе и в Украине.

Так же стоит повторить, что анаэробные биологические методы очистки применяются в различных отраслях промышленности для очистки сточных вод, загрязненных органическими соединениями. Эти методы привлекательны для потребителей тем, что в процессе очистки сточных вод от органических загрязнений, что выражается в уменьшении концентрации ХПК, в качестве конечного продукта образуется биогаз, который можно сжигать, получая либо тепло, либо электричество. Кроме того, при использовании анаэробных методов не образуется большого количества избыточного активного ила. Компания "КМК групп" является специалистом в области промышленной техники очистки сточных вод. Мы проектируем, строим анаэробные и аэробные очистные сооружения для очистки сточных вод в различных отраслях промышленности, в том числе и в пищевой. Особенную трудность для инженеров и технологов с точки зрения очистки представляют прежде всего сточные воды, имеющие однородный состав (загрязненные, например, в основном жирами) - так называемые моносточные воды. В этом случае при проектировании очистных сооружений необходимо учитывать условия разложения микроорганизмами основного органического компонента, что и должно быть заложено в основу технологического процесса с целью достижения максимальной эффективности очистки при минимуме инвестиционных затрат.

При анаэробном преобразовании органических субстратов в метан под воздействием микроорганизмов (бактерии, анаэробный ил) должны быть последовательно реализованы четыре стадии разложения. Отдельные группы органических загрязнений (углеводы, протеины, липиды/жиры) в процессе гидролиза преобразуются сначала в соответствующие мономеры (сахара, аминокислоты, жирные кислоты). Далее эти мономеры в ходе ферментативного разложения (ацитогенеза) преобразуются в короткоцепочечные органические кислоты, спирты и альдегиды, которые затем окисляются дальше в уксусную кислоту, что связано с получением водорода. Только после этого доходит очередь до образования метана на этапе метаногенеза. В качестве побочного продукта наряду с метаном образуется также и углекислый газ (СО2).

Все процессы преобразования тесно взаимосвязаны друг с другом и должны протекать в емкости анаэробного реактора в строго установленном порядке, т.к. любое нарушение одного из промежуточных этапов приводит к нарушению всего процесса. Поэтому для больших объёмов очистки требуется точное проектирование очистных сооружений и их настройка на соответствующую сточную воду.

Кроме того, жирные кислоты, образующиеся как побочные продукты при разложении жиров и масел, могут препятствовать всему процессу разложения.

Выход биогаза и доля метана в нем в зависимости от класса веществ

Из данной таблицы следует, что для каждого типа моносточных вод очистные сооружения должны быть спроектированы индивидуально. Поэтому этапу проектирования и строительства очистных сооружений должен предшествовать определенный исследовательский этап, включающий в себя точный анализ сточной воды и опыты с оригинальной сточной водой, в процессе проведения которых определяются оптимальные условия разложения органи¬ческих загрязнений, находящихся в сточной воде.

В процессе проектирования анаэробных очистных сооружений для сточной воды, состав загрязнений которой недостаточно известен, а также неизвестно, насколько легко разлагаются эти загрязнения биологическим путем, нужно действовать следующим образом:

Контроль производственного процесса

Совместно с сотрудниками объектов сброса сточных вод нужно выявить источники загрязнения сточной воды. При анализе производственных процессов могут быть выявлены специфичные загрязнения сточной воды.

Анализ особых примесей

Для выявления степени загрязнения определяется концентрация химического потребления кислорода (ХПК). Если на основании производственного процесса уже заранее известны определенные примеси, то нужно отдельно определить их концентрацию в сточной воде. Помимо этого анализируется наличие питательных веществ (азот, фосфор) и микроэлементов в сточной воде для расчета потребности анаэробного активного ила в питательных веществах. Нужно знать также концентрацию токсичных для микроорганизмов веществ, таких как тяжелые металлы и антисептические вещества.

Расчет параметров очистных сооружений с помощью лабораторных опытов и пилотных установок

Для получения точных параметров очистных сооружений во время лабораторных/пилотных испытаний дополнительно проверяется степень очистки усредненных проб сточных вод. В зависимости от продолжительности этапа адаптации подобные опыты могут длиться от нескольких недель до нескольких месяцев. Однако они помогают сэкономить затраты на расчеты и строительство анаэробных очистных сооружений.

Результатом завершения предварительных исследований должна стать обширная исходная база для расчета параметров сооружений по очистке моносточных вод, но это уже будет следующий этап.

Пример 1: Сточная вода промышленного предприятия по производству жирных кислот из растительных масел

В процессе производства растительные масла расщепляются под действием высокого давления и температуры. Образующиеся при этом жирные кислоты отделяются от глицерина и разделяются на фракции путем ДИСТИЛЛЯЦИИ И ректификации. Разделенные на фракции продукты продаются для изготовления поверхностно-активных веществ.

При замене исходного сырья и промывке оборудования в сточную воду попадают остатки масел и продукты их расщепления. Таким образом, для сточной воды характерны высокие и колеблющиеся концентрации ХПК вплоть до максимального значения 100.000 мг ХПК/л.

Сточная вода первоначально проходит через жироловку, где улавливаются нерастворенные остатки технологического сырья. В ходе проведенных анализов был установлен ярко выраженный недостаток питательных веществ. Способность к биологическому разложению органических примесей в сточной воде была оценена в принципе как хорошая, однако в ходе лабораторного опыта при высоких концентрациях ХПК в реакторе произошло подавление процесса образования метана и повысилась концентрация ацетата и пропионата (органических кислот как промежуточных продуктов ацидогенеза). Во избежание этих помех при расчете параметров промышленных очистных сооружений было установлено ограничение максимальной нагрузки на единицу объема. Для поддержки процесса очистки в реактор дозируются питательные вещества и микроэлементы.

Метанреактор представляет собой реактор с частично неподвижным слоем, который оборудован дополнительным внешним отстойником со скребком для обратной подачи анаэробного ила в метанреактор. Для осуществления контроля за ходом процесса разложения органики на больших установках ежедневно проводятся анализы концентрации ацетата и пропионата в анаэробном реакторе, а также поддержание баланса биогаза.

В септике «БИОНТ», изобретённом специалистами «КМК групп», учитывая то, что он рассчитан на небольшой объём сточных вод, обратная подача анаэробного ила осуществляется через технологические отверстия в стенках установки.
Данный опыт позволил специалистам компании «КМК групп» выявить ряд положительных моментов, которые учитывались при создании универсальной системы очистки бытовых сточных вод. Таким образом, в разработанном септике в некоторых случаях применяется система дозирования питательными веществами и культивированными штаммами анаэробных бактерий, и уже ведутся исследования в области применения системы ограничения максимальной нагрузки на единицу поступающего объёма для локальных очистных систем.

Пример 2: Сточная вода пищевой промышленности с высоким содержанием сахарозаменителеп

При производстве продуктов пищевой и вкусовой промышленности, не содержащих сахара, например, производство жевательной резинки, образуется сточная вода, загрязненная большим количеством сахарозаменителей (сахарные спирты, аспартам). В процессе исследования одного из таких предприя¬тий было установлено, что в сточной воде находятся также и ароматические вещества, такие как ментол.

Ситуация осложнялась еще и тем, что из-за отсутствия достаточной буферной емкости потребовалось добавление щелочи для стабилизации значения рН в анаэробном реакторе. Кроме того, потребовалось дозирование питательных растворов. В процессе дальнейших исследований была успешно проведена аэробная биологическая доочистка предварительно обработанной сточной воды с целью достижения требуемого качества очистки сточных вод.
На основании результатов предварительных исследований была реализована в производственном масштабе схема очистки, представленная следующим образом: сточная вода поступает в ёмкость усреднитель, после усреднителя стоки перетекают в метанреактор, после метанреактора - в установку аэробной биологической очистки сточных вод. Причём в усреднитель и метанреактор через систему дозирования подаётся раствор NaOH (для достижения нужного уровня рН) и питательный раствор (для поддержания нужной концентрации биомассы).

Для накопления и усреднения залповых сбросов используется усреднитель. За метанреактором следует один из аэробных реакторов биологической очистки. Питательные вещества подаются по мере необходимости в готовом растворе. Регулирование значения рН осуществляется путем добавления щелочи натрия.

Специалисты компании, опираясь на опыт, полученный в ряде подобных случаев, пришли к выводу, что в системах очистки стоков небольшого объёма от индивидуальных коттеджей и предприятий общественного питания также можно применять в качестве дополнительной ступени очистки аэробный реактор. Особенно полезен он будет в тех случаях, когда содержание органических веществ в стоках минимальное, а содержание ХПК превышает соответствующие нормы в несколько раз. Так была создана установка с аэробной камерой. Отличительной особенностью этой аэробной камеры от аэробной камеры на больших установках стало то, что она работает прерывисто, посредством пульсации. Благодаря этому была решена проблема удаления азота из перерабатываемой сточной воды. Азот является одним из важнейших факторов при проведении анализов очищенных стоков.

Вывод

Для успешной реализации промышленных анаэробных и аэробных очистных сооружений для очистки хозяйственно-бытовых и моносточных вод необходим точный анализ сточной воды и продукции промышленного предприятия. Предварительные лабораторные и пилотные исследования дают критерии для расчета параметров системы очистки и исключают излишние затраты на этапе проектирования и строительства очистных сооружений. Для каждого типа сточных вод должны быть разработаны индивидуальные решения, обеспечивающие стабильную работу очистных сооружений. Специалисты «КМК групп» имеют огромный опыт в сфере строительства и модернизации систем очистки хозяйственно-бытовых стоков больших объёмов, который параллельно применяют в развитии другого направления - очистке стоков от индивидуальных коттеджей малой производительности.