«Анаэробная очистка сточных вод»

«Анаэробная очистка сточных вод»

Содержание:

·  Области применения анаэробной очистки сточных вод

·  Микробиологические основы анаэробного сбраживания

·  Влияние токсичных веществ и факторов экологии на процесс анаэробного сбраживания

·  Конструкции анаэробных реакторов

·  Сравнительный анализ эффективности работы аэробных и анаэробных реакторов

Области применения анаэробной очистки сточных вод

Системы анаэробной очистки применяют для сбраживания высококонцентрированных стоков, осадков городских сточных вод, ила, в том числе активного ила очистных сооружений, допускается подача в метантенки других сбраживаемых органических веществ после их дробления (домового мусора, отбросов с решеток, производственных отходов органического происхождения и т. п.). Процессы чаще всего осуществляются в септитенках (септиках) и метантенках.

Микробиологические основы анаэробного сбраживания

Упрощённая стадийная схема анаэробного разложения веществ

Деградация органических веществ при метаногенезе осуществляется как многоступенчатый процесс, в котором углерод-углеродные связи постепенно разрушаются под каталитическим действием различных групп микроорганизмов. Синтрофизм - особый случай симбиотической кооперации между метаболически разными типами бактерий, которые зависят друг от друга при разрушении субстратов. При этом типе межвидовых взаимосвязей один организм продуцирует пищу для другого.

На ацетогенной стадии образуются основные непосредственные предшественники метана: ацетат, водород, углекислота. Разложение продуктов кислотогенной стадии осуществляют облигатные протон-восстанавливающие или облигатно-синтрофные бактерии, как правило, нуждающиеся в водородиспользующих партнёрах

Без водородиспользующих метаногенов

СН3СН2СН2СОО- + 2Н2О = 2СН3СОО - + Н+ + 2Н2

СН3СН2СОО- + 3Н2О = СН3СОО - + Н+ + 3Н2 + НСО3-

С7Н6О2 + 7Н2О = 3СН3СОО - + 3Н2 + НСО3-

С водородиспользующими метаногенами:

2СН3СН2СН2СОО- + НСО3- +Н2О = 4СН3СОО- + СН4 + Н+

2СН3СН2СОО- + 3Н2О = СН3СОО - + Н+ + 3СН4 + НСО3-

4С7Н6О2 + 19Н2О = 14СН3СОО - + 13Н+ + 3СН4 + НСО3-

Процесс распада органических веществ в анаэробных условиях завершают метанобразующие археи, или метаногены.

Метаногены могут использовать в качестве источников энергии и углерода ограниченное число субстратов - всего 8: углекислый газ в сумме с водородом, формиат, закись углерода, метанол, ацетат, моно-, ди и триметиламины

Метаногены

4Н2 + СО2 = СН4 + 2Н2О

4НСОО- + 4Н+ = СН4 + 2Н2О + 3СО2

СН3СОО- + Н+ = СН4 + СО2

4СН3ОН = 3СН4 + СО2 + 2Н2О

4СH3NH3+ + 2H2O = 3CH4 + CO2 + 4NH4+

2(CH3)2NH2+ + 2H2O = 3CH4 + CO2 + 2NH4+

4(CH3)3NH+ + 6H2O = 9CH4 + 3CO2 + 4NH4+

По типу используемых субстратов все виды метанобразующих организмов могут быть условно разделены на 3 подгруппы:

1)  организмы, использующие Н2 + СО2 (к ним относится большинство метановых архей, некоторые из них способны использовать формиат)

2)  метаногены, использующие ацетат

3)  метаносарцины, использующие все известные метаногенные субстраты, за исключением формиата

Влияние токсичных веществ и факторов экологии на процесс анаэробного сбраживания

Токсичные вещества влияют на анаэробный процесс так же, как и на аэробный. Анаэробные микроорганизмы не отличаются какой-то особой чувствительностью к токсичным веществам. Поскольку процесс анаэробного разложения основан в первую очередь на действии медленно растущих метаногенных бактерий, то и действие ингибиторов следует рассматривать в связи с этой группой бактерий (приведены в таблице). Как и в других биологических системах, в анаэробном сообществе также может развиваться устойчивость к токсичным веществам.

В таблице приведены такие концентрации токсичных веществ, которые воздействуют на анаэробный процесс

Параметр	Ингибирование токсичным веществом
При одноразовом внесении	При постоянном внесении
рН	<6	<5
рН	>8	>8,5
Аммоний, NH4+	>100 г/м3	>200 г/м3
Сероводород, H2S	>250 г/м3	>1000 г/м3
Цианид, CN-	>5 г/м3	>100 г/м3
Трихлорметан	>1 г/м3	>50 г/м3
Формальдегид	>100 г/м3	>400 г/м3
Никель	>200 г/м3	>500 г/м3

Конструкции анаэробных реакторов

Наиболее общепринятая классификация анаэробных реакторов основана на форме макроструктур метаногенной биомассы в них. По этому принципу все конструкции можно разделить на реакторы со взвешенно-седиментирующей биомассой (илом) и прикреплённой биомассой (биоплёнкой).

Рис.2. Классификация анаэробных реакторов.

Примером первого типа реакторов являются традиционные метантенк, анаэробная лагуна, контактный реактор, UASB-реактор – с восходящим потоком жидкости через слой анаэробного ила, EGSB-реактор – с расширенным слоем гранулированного ила, перегородочный реактор (ABR)/

Ко второму типу относятся биофильтр с нисходящим потоком (DSFF-реактор), реактор с псевдоожиженным слоем (AFB), вращающийся дисковый биофильтр.

Ряд конструкций – анаэробный фильтр с восходящим потоком (AF) и гибридный реактор (AF + UASB) – сочетают в себе элементы обоих типов реакторов.[2]

Двухкамерный септиктенк

1 – регулятор, 2 – отражатель, 3 – напорный трубопровод, 4 – уклон 1:4

Септитенки – горизонтальные отстойники закрытого типа, в которых образовавшийся на дне осадок твёрдых частиц перегнивает и разлагается анаэробными микроорганизмами. В них часто сбраживают активный ил вторичных отстойников, осадок первичных отстойников и пену с целью уменьшения её объёма, устранения дурного запаха и количества патогенной микрофлоры. Осадок выдерживают до 4-6 месяцев. В результате разложения органических веществ и уплотнения объём его уменьшается до 50%.

1 — газовый колпак для сбора газа; 2 — газопровод от газового колпака; 3 — пропеллерная мешалка; 4 — трубопровод для загрузки (например, сырого осадка и активного ила); 5 — трубопроводы для удаления иловой воды или выгрузки сброженного осадка с разных уровней; 6 — инжектор подачи острого пара для подогрева содержимого метантенка и перемешивания; 7 — трубопровод выгрузки суспензии твердофазных продуктов сбраживания (например, сброженного осадка); 8 — циркуляционная труба; 9 — трубопровод для опорожнения метантенка.

В метантенках, в отличие от септитенков, осуществляют перемешивание, обогрев, контроль основных параметров (температуры, состава сырья, интенсивности загрузки аппарата др.). Процесс протекает более интенсивно, чем в септитенках. Выделяющийся биогаз собирают и утилизируют. Метантенки работают, как правило, в периодическом режиме загрузки отходов или сточных вод с постоянным отбором биогаза и выгружают твёрдый осадок по мере завершения процесса.

Рис. 3. Анаэробная лагуна.

В анаэробных лагунах стабилизируют отходы, используя естественные процессы.

Рис. 4. Контактный реактор

. Контактный анаэробный реактор является аналогией аэротенкам с аэробной системой активизации ила. Применяется для очистки относительно разбавленных хозяйственно-бытовых стоков со значением ХПК приблизительно 1 300 мг/л.

Рис. 5. Перегородочный реактор.

Представляет собой прямоугольную емкость, разделенную параллельными вертикальными перегородками на ряд отделений. Сток поочередно двигается снизу вверх и сверху вниз, проходя в каждом отделении через формирующейся там слой гранул или флокул биомассы.

Рис. SB-реактор.

В UASB-реакторе (Upfow Anaerobic Sludge Blanket) – реакторе с восходящим потоком через слой анаэробного гранулированного ила – сточная вода вводится снизу через распределительные устройства и проходит вверх через слой гранулированного ила на дне реактора). Слой внизу реактора более плотный (sludge bed), а выше – разреженный (sludge blanket). Скорость движения воды в UASB-реакторе 0,5-2 м/ч. Благодаря движению жидкости и образующихся пузырьков газа обеспечивается перемешивание внутри слоя ила, что способствует протеканию процесса.

Рис. 7. EGSB-реактор.

реактор с расширенным и взвешенным слоем гранулированного ила. В нем скорость восходящего потока в несколько раз выше (4-12 м/ч), что обеспечивается рециркуляцией стока или большим соотношением высота/диаметр. Это обеспечивает лучшие условия перемешивания слоя ила с меньшими застойными зонами, ускоряет транспорт субстратов и продуктов реакций внутри агрегатов. Ил в таком реакторе всегда имеет форму гранул и лучшие седиментационные свойства.

Рис. 8. Биофильтр с нисходящим потоком.

биофильтр с нисходящим потоком жидкости и неподвижно закрепленной биопленкой. В таких реакторах метаногенная биомасса может длительно удерживаться только в виде биопленки; она же обусловливает до 95% активности биореакторов.

Рис. 9. Реактор с псевдоожиженным слоем.

Реактор с псевдоожиженным слоем содержит мелкодисперсные среды, типа песка или гранулированного активированного угля, к которым прикреплены бактерии. Относительно высокая скорость восхождения сточной воды заставляет частицы носителя подниматься до точки, где отрицательная плавучесть носителя становится равной восходящей силе трения об воду. Тогда, реактор с псевдоожиженным слоем стабилизируется. Обычно, часть переработанного потока возвращается назад к притоку, чтобы поддержать высокую восходящую скорость, даже когда нормы потока сточных вод низки.

Рис. 10. Анаэробный фильтр.

AF (Anaerobic Filter) – анаэробный фильтр, UAF (Upflow Anaerobic Filter) – анаэробный фильтр с восходящим потоком, был разработан в лаборатории в конце 1960-ых (Янг и Mаккарти, 1969). Эта система подобна орошаемому фильтру в котором, первоначально, использовался каменный носитель для закрепления биопленки. Анаэробный фильтр использовался для очистки субстратов с ХПК от 375 до 12 000 мг/л и имел время задержания 4 - 36 часов.

Сравнительный анализ эффективности работы аэробных и анаэробных реакторов

Анаэробный реактор	Аэробный реактор
Преимущества
1.Устойчивость к высоким концентрациям органических веществ (удовлетворительно работают при БПК более 1000мг/л)	1.Неустойчивы к высоким концентрациям органических веществ (работают при БПК до 100 мг/л)
2.Устойчивость к непостоянной подаче и составу сточных вод	2.Чувствительность к непостоянной подаче и составу сточных вод
3.Устойчивость к недостатку биогенных элементов в сточной воде	3.Чувствительность к недостатку биогенных элементов в сточной воде
4.Низкий прирост ила в сравнении с аэробными реакторами(меньше в 10 раз)	4.Проблема утилизации образующегося избыточного ила
5.Невысокие эксплуатационные затраты (экономия э/э на мешалках)	5.Высокие эксплуатационные затраты (необходимость аэрации)
6.Получение биогаза	6. -
7.Высокая устойчивость к токсикантам и способность к восстановлению работоспособности	7.Невысокая устойчивость к токсикантам и низкая способность к восстановлению работоспособности
8.Высокий энергетический уровень конечного продукта	8.Низкий энергетический уровень конечного продукта
Недостатки
1.Невысокая скорость протекания процессов	1.Высокая скорость протекания процессов
2.Низкий прирост биомассы (при первом запуске)	2.Высокий прирост биомассы (при первом запуске)
3.Средняя степень очистки по БПК (60-90%)	3.Высокая степень очистки по БПК (95%)
4.Не удаляются азот и фосфор	4.Удаляются азот и фосфор
5.Затраты на герметизацию, подогрев	5. -
6.Взрывоопасность	6. -
7.Образование сульфидов	7. -
8.Низкий выигрыш в биологически используемой энергии	8.Высокий выигрыш в биологически используемой энергии
9.Нет саморазогрева осадка (требуется подвод тепла)	9.Саморазогрев осадка