Вперед, на главную страницу

 

 

 

Очистка стоков промышленных предприятий. Технология и аппаратура исскуственной биологической очистки сточных вод.

 

 

Возврат к Стр.1. Очистка сточных вод предприятий пищевой промышленности, характеристика загрязнений сточных вод, пригодность сточной воды для биологической очистки, сточные воды спиртовых и дрожжевых заводов, предприятий пивобезалкогольной и винодельческой промышленности

Возврат к Стр.2. Микрофлора очистных систем, активный ил аэробных и анаэробных очистных систем, его химический состав

Стр.3. Технология биологической очистки, Аэробная очистка, Анаэробная очистка, Комбинированные технологические схемы очистки стоков пром предприятий и спиртовых заводов

Переход на Стр.4. Биотехнологическая утилизация компонентов сточных вод предприятий и спиртовых заводов, выделение белка из активного ила

Переход на Стр.5. Производство кормового концентрата витамина В12 и метана метановым брожением послеспиртовой барды.

Переход на Стр.6. Интенсивные биогазовые технологии и их технологический потенциал.

Переход на Стр.7. Очистка послеспиртовой мелассной барды и направления ее использования.

 

3.1. Аэробная очистка стоков.

 

Аэробный метод очистки стоков промышленных предприятий заключается в культивировании сообщества микроорганизмов, получающих энергию за счет процесса дыхании. Окисление кислородом углеродсодержаших восстановленных соединений - главная особенность аэробного культивирования микроорганизмов активного ила. Во всех аппаратах для аэробной очистки биологический агент может находится в культуральной жидкости в свободном (взвешенном) состоянии или может быть закреплен на поверхности твердого носителя в виде биопленки. Встречаются системы, в которых имеют место оба варианта размещения биомассы. Системы со свободной микрофлорой называют аэротенками, с прикрепленной (иммобилизованной) — биофильтрами, с комбинированным располо­жением — биотенками, погружными биофильтрами, аэротенками с заполнителями.

Аэротенки. Характерной особенностью аэротенков является рециркуляция биомассы микроорганизмов, покидающих реакционный объем. Постоянная инокуляция (засев) возвращаемых клеток в аэротенк стабилизирует систему и в значительной степени нивелирует влия­ние возмущений по расходу, концентрации и составу субстрата. Благо­даря рециркуляция клеток появляется возможность увеличить произво­дительность системы, поскольку повышенная концентрация биомассы способствует ускорению и углублению процесса очистки.

Выделение и концентрирование биомассы обычно осуществляется в отстойниках. Важнейшей технологической характеристикой актив­ного ила является его способность к седиментации. Микроорганизмы, составляющие биоценоз активного ила, образуют крупные агрегаты, связанные слизеобразными биологическими полимерами. Размер таких агрегатов или хлопьев — 20—100 мкм. Для хлопьев активного ила свойство оседать характеризуется величиной илового индекса, определяемо­го как объем и миллилитрах, занимаемый 1 г отобранного из аэротенка ила после отстаивания в течение 30 мин. Хорошо оседающие илы имеют иловый индекс 120 мл/г, удовлетворительно оседающие — 120-150, плохо оседающие - более 150 мл/г. При плохом оседании ила его задержка в отстойнике и рециркуляция затруднены, а эффективность очистки снижена.

При неблагоприятных условиях в аэротенке активный ил теряет способность отделяться от воды — "вспухает". Такой ил имеет очень развитую поверхность, глубина очистки увеличивается в результате биологического окисления и сорбции загрязнений чрезмерным количеством биополимеров, которыми покрыты клетки. Считают, что "вспухание" происходит от избытка питательных веществ и недостатка кислорода, однако единого мнения по этому поводу нет.

Работа аэротенка оценивается по глубине очистки от загрязнения (исчерпанию субстрата), выходу избыточного активного ила, расхолу необходимого для аэрации воздуха и энергозатратам на аэрирование, времени аэрирования, концентрации ила в аэротенке и некоторым другим параметрам. Производительность системы аэробной биологической очистки характеризуется ее окислительной мощностью - количеством окисляемого вещества в единице объема за определенный про­межуток времени. Обычно эта величина выражается в кг О2 / (м3 · ч). В числителе размерность кг О2 относится к ХПК или БПК.

Важной характеристикой работы аэротенка является нагрузка на активный ил N, которая определяется как отношение массы посту­пающих в реактор за сутки загрязнений к абсолютно сухой или беззоль­ной биомассе активного ила, находящегося в реакторе. По нагрузке на активный ил аэробные системы очистки делятся на :

         высоконагружаемые аэробные системы очистки стоков при N> 0,5 кг БПК5 в сутки на 1 кг ила;

         средненагружаемые аэробные системы очистки стоков при 0,2 < N< 0,5;

         низконагружаемые аэробные системы при 0,07 < N < 0,2;

        аэробные системы продленной аэрации при N < 0,07.

 

Высоконагружаемые аэробные системы очистки стоков промышленных предприятий применяют при необходимости переработки больших объемов сточных вод с высокой концентрацией загрязнений для неполной, предварительной очистки. В высоконагружаемых аэробных системах активный ил имеет низкую способность к осаждению и процесс культивирования приближается к хемостатному без рециркуляции биомассы. Наиболее распространены в практике очистки аэробные системы со средней нагрузкой на активный ил. В аэробных реак­торах поддерживается концентрация биомассы около 5 г/л.

В табл. 3.1 приведены показатели существующих аэробных систем.

 

Таблица 3.1. Характеристики некоторых систем аэротенков

 

Режим нагрузки по загрязнению

Сооружения и технологические процессы

Продолжительность аэрации,ч

Объемная нагрузка, кг БПК5 на м3 в сутки

Доза ила, г/л

Иловая нагрузка, кг БПК5 на кг ила в сутки

Возраст, сут

Иловый индекс, мл/г

 

Низкий

 

Аэротенки продленной аэрации

 

10-30

 

0,3-1,2

 

3-12

 

0,05-0,12

 

 

 

25-50

 

 

 

50-80

Циркуляционные окислительные каналы

48-60

0,1

1-2

0,04-0,08

Аэрируемые пруды

180-250

0,025

0,5

0,05

Средний

Аэротенки обычные

6-8

0,6

2-4

0,12-0,3

 

 

3-15

 

 

50-100

Аэротенки с регенераторами

5-6

1,5

2-4

0,5

Аэротенки высокопроизводительные

3-5

2,5

3,5-8

0,3-0,5

Высокий

Рапид-блок

2-2,5

2,3

2,5-6

0,8-1

Скоростная аэрация

3,2-4

1,5

1,5-3,5

2,5

 

 

0,5-2

 

 

80-200

Модифицированная аэрация

3,4-4

1,5

1,5-3,5

2-5

Любек-процесс

0,4-0,5

10

8-10

1-1,2

Супер-активация

0,8-1

6

1,5-2

3,5-5

Примечание. БПК20 очищаемых сточных вод – 200 – 250 мг/л

 

По структуре потока жидкости аэротенки делятся на вытеснители, смесители и аэротенки с рассредоточенным впуском сточной жидкос­ти - промежуточного типа.

Такая классификация является схематичной, поскольку структура потока в биохимических реакторах может иметь любые промежуточные формы между идеальным смешением и идеальным вытеснением. От структуры потока в биохимическом реакторе, в частности аэротенке, зависят его технологические показатели.

Часто применяются аэротенки с так называемой регенерацией активного ила, т.е. промежуточным аэрированием возвращаемой из отстойника ило-водяной смеси перед подачей ее в аэротенк.

При разработке процессов очистки требуется установить необходи­мость регенерации ила и объем регенератора. Типовые конструкции аэротенков позволяют выделять под регенератор от 25 до 75 % объема, причем вариантов изменения объема много. Сведения о целесообразности регенерации и ее влиянии на процесс очистки весьма противоречивы. На основании анализа математических моделей установлено, что регенерация активного ила может до некоторой степени увеличивать окислительную мощность аэротенков.

 

Если подходить к этому вопросу на основе технико-экономического анализа, то с увеличением эффективности аэрационного оборудования необходимость в регенерации уменьшается, а при наличии в аэротенке достаточно мощных средств аэрации регенерация не нужна. Она не улучшает и не ускоряет очистку, а только приводит к излишним затратам энергии, снижает концентрацию ила за счет его окисления.

По конструкционным признакам аэротенки классифицируют на одно-, двух- и многоступенчатые, прямоугольные, круглые и т. д.

На рис. 3.1 приведены схемы потоков в существующих аэротенках.

 

Рис. 3.1. Схемы потоков в а - вытеснителях; б - смесителях; б - с рассредоточенным впуском воды; с пропорциональной подачей-П; 6 - с регенератором; е — ячеистого типа; 1 - аэротенк; 2 - отстойник; 3 --

 

Характер распределения нагрузки на активный ил в аэротенках показан на рис. 3.2.

 

Рис. 3.2. Распределение нагрузки V по длине аэротенков:

I - вытеснитель; 2 - смесителей; 3 - с рассредоточенная подачей воды; 4 - с про­порциональной подачей воды

 

В аэротенках-вытеснителях, обычно имеющих от одного до четы­рех последовательно соединенных коридора, считаемая вода движет­ся в режиме, близком к вытеснению. Еще ближе к вытеснению режим в секционных (ячеистых) аэротенках,

В аэротенках с различными структурами потоков существенно различаются условии роста микроорганизмов. При режимах, близких к вытеснению, нагрузка к скорость потребления кислорода максимальны в начале емкости (по ходу движения очищаемой жидкости) и минимальны в конце. Такие аэротенки плохо переносят залповые сбросы жидкости.

Типовые аэротенки-вытеснители коридорного типа рекомендованы для очистки стоков загрязненностью по БПКполн не более 500 мг О2/л. Всего разработано 100 (!) вариантов с очень малым шагом изменения объема (точность выбора объема 2-3 %).

На предприятиях пищевой промышленности колебания расхода и загрязненности стоков обычно на порядок выше, а загрязненность по БПК5 превышает 1000-1500 мг О2/л. Предлагаемые варианты типовых проектов не гарантируют удовлетворительной работы очистных систем.

Аэротенки-вытеснители коридорного типа (по типовому проекту 902-2-192) применены на второй ступени очистки производственных сточных вод на 16 свеклосахарных заводах. Они имеют рабочую глуби­ну 3,2 м, длину 36-60 м, ширину коридора 4,6 м и рассчитаны на расход хозяйственноо-бытовых стоков 4,2-50 тыс. м3/сут. Небольшая глубина жидкости в аэротенке приводит в зимнее время к значительным поте­рям тепла через поверхность зеркала, снижению температуры до 1 - 4 С и к практически полному прекращению процесса очистки. Проектные показатели очищенной воды, судя по результатам натурных обследо­ваний, не достигаются.

Аэротенки-смесители можно рассматривать как реакторы-смесители для хемостатного культивирования микроорганизмов с рециркуляцией биомассы. Условии культивирования в них лучшие, чем в аэротенках-вытеснителях, но для получения такого же качества очищенной воды требуется больший объем.

На сооружениях двухступенчатой искусственней биологической очистки некоторых сахарных заводов применены аэротенкн-смесители по типовому проекту 902-2-268. При мощности завода 6 тыс. т переработанной свеклы в сутки расчетный расход стоков на очистку с БПКПОЛН 3636 мг О2/л составляет 119,4 м3/ч. В качестве аэротенков I ступени используются две секции аэротенка-смесителя сметной стоимостью 162,55 тыс. руб. с расчетной впродолжительностью аэрации 25,8 ч. Поскольку по паспорту типового проекта 902-2-268 такие аэротенки могут применяться для расходов не менее 315 м3/ч, предусмотрено разбавление поступающих стоков очищенной водой до требуемого расхода.

Пневматические аэраторы, применяемые в аэротенках-смесителях указанного типа, не в состоянии обеспечить кислородом очистку высококонцентрированных вод. Рециркуляция очищенной воды в голову сооружений приводит не только к неоправданному завышению объе­мов сооружений и потерям энергии, но и нивелирует достоинства двух­ступенчатой очистки, так как оба аэротенка (1 и II ступеней) работают как один аэротенк-смеситель

Продукты метаболизма ила, накопившие­ся в очищенной жидкости, подавляют процесс на I ступени. Глубина очистки по БПКПОЛН на 1 ступени составляет всего 66,3 – 78,2 %. В то же время и условиях достаточного обеспечения кислородом глубина очистки при вдвое меньшем времени пребывания может достигать 94 - 96 %. Выполненные исследования процесса непрерывной аэробной, очистки производственных стоков свеклосахарных заводов показали, что на I ступени аэрации в течение 12,5 ч БПК5 снижается с 3260 до 130 — 163 мг О2/л. Таким образом, применение рациональной конструкции аэробного реактора позволяет уменьшить затраты на создание 1 ступени искусственной биологической очистки свеклосахарного завода более чем в два раза.

На предприятиях молочной промышленности в последнее время применяют аэротенки-смесители по типовому проекту 902-2-191. Станция биологической очистки сточных вод в аэротенках щхгяченной аэра­ции. Ширина секции аэротенка 6 м, глубина 3,2 м. Атротенки спректированы со вторичными отстойниками и имеют пневматическую систему аэрации, рассчитанную на обработку сточной воды низкой концентрации. Нехватку кислорода не компенсируют даже регенераторы ила.

Для повышения расчетной окислительной мощности типовых аэротенков проектируют очистные системы с увеличенной подачей воздуха через барботажные устройства. Особенностью пневматических систем является то, что повышение расхода воздуха обязательно приводит к увеличению скорости циркуляционного потока и снижению относи­тельной скорости движения пузырька воздуха и воды. Это явление уменьшает интенсивность массообмена, поэтому окислительная мощ­ность аэротенков с пневматической аэрацией не превышает 50 г БПК5/(м3-ч). В существующих аэротенках-смесителях, применяемых на сахарных и молочных заводах, этот показатель должен составлять не менее 90—160 г БПК5/(м3-ч). Для удовлетворения физиологических возможностей микроорганизмов при очистке стоков концентрацией 2—4 г/л по БПК5 необходимая окислительная мощность аэробного ферментатора должна быть не менее 400-800 г БПК5/(м3-ч). Удельный расход кислорода при интенсивной очистке может достигать 4—6 г на 1 г окисляемого БПК5.Следовательно, аэраторы должны иметь окислительную способность в пределах 1,6-4,8 кг О2/(м3-ч). Применяемые методы расчета потребности в аэрации практически не учитывают значительный рост удельного расхода кислорода в условиях повышенных концентраций биомассы при очистке концентрированных субстратов.

Аэротенки с рассредоточенной и неравномерной подачей субстрата близки к смесителям по характеру движения жидкости, а биомасса движется в режиме, близком к вытеснению. По мере продвижения жидкости от входа коридора к выходу скорость ее движения возрастает, изменяются концентрация и физиологические свойства биомассы, потребность в кислороде. Имеющийся опыт эксплуатации таких аэротенков не позволяет надежно и однозначно судить об их преимуществах.

Все типы аэротенков, которые относят к вытеснителям и действительное мало отличаются от вытеснителей, так как рециркуляция биомассы в голову приводит к приближению структуры потока к идеальному смешению. Чем выше расход рециркулируемой жидкости, тем в большей степени аэротенк приближается к реактору-смесителю.

В последнее время получили распространение аэротенкн-отстойники (рис. 3.3) с различными системами аэрации, которые можно отнести ко второму поколению биохимических реакторов для очистки концентрированных сточных вод, поскольку в них имеются элементы для задержки биомассы в реакционной зоне. Такая конструкции способствует ускорению и углублению изъятия субстратов. Реакторы устойчивы к колебаниям нагрузки благодаря повышенной концентрации активного ила. Среди обилия вариантой реакторов-отстойников, нет принципиальных различий. Важно, чтобы система аэрации соответствовала требуемому уровню обеспечения процесса кислородом и отсутствовали застойные зоны. При прочих равных условиях конструкция аэротенка-отстойника тем эффективнее, чем большую относительную концентрацию активного ила он сможет обеспечить в реакционной зоне. Речь идет о концентрации ила по отношению к количеству (массовому расходу) загрязнений в поступающем стоке, поскольку доза ила есть функ­ция не только степени рециркуляции (задержки биомассы), но и скорости разбавления и концентрации субстрата (см. раздел 4). В аэротенках-отстойниках ввиду их способности поддерживать высокую кон­центрацию биомассы, как правило, применяются высокопроизводи­тельные аэраторы. Например, в конструкции аэротенка-отстойника ЛИСИ (рис. 3.4) удельная мощность двигателя аэратора постигает 0,5 кВт/м3. Это позволяет очищать в нем стоки мясокомбинатов и поддерживать концентрацию ила более 20 г/л (очевидно, со значительным количеством минеральной взвеси).

 

Рис 3.3. Аэротенк-отстойник:

1- аэратор, 2 – зона отстаивания, 3 – циркуляционная трубка, А – подача сточной воды, Б - очищенная вода.

Рис 3.4. Аэротенк-отстойник конструкции ЛИСИ

1- корпус, 2 – самовсасывающий аэратор, 3 – воздухопроводящие трубки, 4 – защитный зонт, 5- воздухоотделитель, 6 – лоток, 7 – отстойник, 8 – трубопровод циркуляционного ила, 9 – направляющая труба, 10 – отражатель.

 

 

 

 

К таким типам реакторов относятся зарубежные "Оксирапид", "Аэроакселератор", "Миниблок", "Оксиконтакт”, разработанные фир­мами США, ФРГ, Франции (Degremont), В нашей стране также созданы подобные аэротенки.

Стремление интенсифицировать процессы биологического окисления субстратов привело к созданию реакторов, и которых для аэрации вместо воздуха используют технический кислород. В США разработаны установки UNОХ (рис. 3.5). Благодаря секционированию емкости реактора по длине, приближающему его к вытеснителю, и применению обогащенного кислородом воздуха глубина и скорость очистки здесь выше, чем в традиционных аэротенках. Создан целый ряд конструкций аэротенков, работающих с использованием чистого кислорода. На установке производительностью 10 000 м3 сточных вод в сутки достигнуто удаление БПК5 на 97 % при незначительном количестве избыточного ила. Благодаря хорошей седиментации биомассы ее концентрация в реакторе достигала 9 г/л.

Рис. 3.5. Схема установки UNOX.

1 – аэротенк, 2 – отстойник, А – сточная вода, Б – очищенная вода, В – активный ил, Г – вход и выход аэрирующего газа.

 

Отечественная установка подобного типа окситенк была разработана ВНИИводгео для очистки стоков предприятий, имеющих техничес­кий кислород. Она отличается высокой степенью утилизации кислоро­да (90-95%) и сочетает достоинства аэротенков-отстойников с преимушеством от использования обогащенного кислородом воздуха. Положительный эффект заключается в том, что создается большая движущая сила массопереноса кислорода из жидкости в клетку и обеспечиваются физиологические потребности последней. Рекомен­дуемая в справочно-нормативной литературе минимальная концентрация растворенного кислорода в аэротенке 2 г О2/л явно занижена и достаточна, очевидно, только для хозяйственно-бытовых стоков. В но­вом издании СПиП формулы расчета очистки в аэротенках учитывают концентрацию растворенного кислорода.

Сравнение эффективности работы аэротенков разнообразных конструкций с различными схемами движения жидкости биомассы затруднено из=за большого количества самых противоречивых данных. Осо­бенно это относится к аэротенкам, применяемым для очистки концентрированных стоков. Ниже приведены наиболее распространенные причины ошибок в оценке аэротенков.

1. Значительные колебания состава и загрязненности стонных вод нарушающие нормальное течение процесса роста биомассы и окислении субстрата. Колебания приводят к перестройке видового состава и физиологических свойств сообщества микроорганизмов, что часто влечет появление дефицита кислорода и изменение показателей очистки. Одним из непременных условий нормальной работы биохимическою реактора является равномерная подача субстрата определенной концентрации.

2. Несоответствие массообменных характеристик аэрационных систем максимальной физиологической потребности культуры в кисло­роде, что приводит к лимитированию процесса роста и потребления суб­страта скоростью переноса кислорода. Реальная скорость истощения субстрата (окислительная мощность) в этом случае зависит не от той  или иной конструкции аэротенка, а только от мощности аэрационной системы. Это обстоятельство, как правило, не учитывается при испытаниях аэротенков. Для сточных вод концентрацией БПК5 500 мг О2/л и выше порог лимитирования кислородом повытается, подрастает также требуемая удельная скорость растворения кислорода в единице объема жидкости и интенсивность турбулизации и (рассеиваемая мощ­ность в единице объема).

3. Неоптимальные с позиций гидродинамики конструкции аэротенков, изобилующие застойными зонами, где условия массообмена далеки от требуемых для обеспечения физиологических возможнос­тей роста микроорганизмов.

4. Различные условия рециркуляции или задержки биомассы в реакционных объемах. При прочих равных условиях очистка протекает быстрее и глубже там, где выше отношение концентрации биомассы к концентрации субстрата.

 

 

 

Для аэраторов различных типов, размеров и различных реакторов значения а и /3 изменяются в пределах 0,4 < а *» 0,95 и 0,11 < 0 < 0,7. В случае применения импеллерного аэратора величины а и /3 изменяются в зависимости от объема реактора следующим образом (табл. 3.5).

Уравнение (3.2) является достаточно универсальным для сравне­ния и масштабирования системы аэратор — аэротенк.

 

3.2. АНАЭРОБНАЯ ОЧИСТКА СТОКОВ

Основы технологии анаэробной очистки стоков. Целесообразность приме­нения анаэробных процессов очистки к концентрированным стокам промышленных предприятий обусловлена способностью сообществ анаэробных микроорганизмов продуцировать энергетическое сырье (биогаз) и снижать концентрацию субстратов до уровня, приемлемого для последующего применения аэробной очистки. К другим достоинствам анаэробной обработки можно отнести образование осадков, представляющих собой ценное орга­ническое удобрение, или потенциальное сырье для получения протеина и биологически активных веществ.

Превращение органических веществ при анаэробной очистке при­ведено на схеме 2.

Схема 2

 

 

Условное деление времени протекания периодического процесса анаэробного разложения на две фазы основано на проявлении активности различных физиологических групп микроорганизмов. Фаза I (ее иногда называют "кислой") характеризуется значениями рН < 7, редокс-потенциал ЕН до 100... 150 мВ. Фаза II называется щелочной, поскольку рН жидкости повышается до 7,5—8,5 и Еh снижается до 100...150 мВ. График изменения рН, Еh и газовыделения в периодическом процессе изображены на рис. 3.11.

 

 


 

Рис. 3.11. Изменение параметров периодического анаэробного процесса:

1 -Eh;  2 - рH;  3 — газовыделение Fr

Рис. 3.12. Разложение белков (1), жиров (2), углеводов (3) и изменение содержания органического углерода (4) при периодическом сбраживании

 

 

 

Разложение белков, жиров и углеводов (рис. 3.12) происходит не полностью, а до определенного предела, обусловленного составом сложного субстрата (использован субстрат с ХПК 15 г О2/л). Приведенные на графике данные получены в результате анализа проб культуральной жидкости из анаэробного реактора в процессе периодической ферментации.

Глубина сбраживания Е = (S0 - SК/S0). где S0 и SК соответственно исходная концентрация и концентрация после полного прекращения процесса различна для разных компонентов субстрата. Например, для белка она составляет от 54 до 60 %, для жиров - от -15 до 40 %. Результаты сбраживания субстрата иного происхождения показывают, что максимально возможная глубина сбраживания белков и жиров отличается от указанной. Очевидно, максимальная глубина сбраживания не является постоянной величиной для каждого из указанных классов соединений, а изменяется в зависимости от их соотношения в сбраживаемом сырье и наличия других компонентов, участвующих в биохимических окислительно-восстановительных процессах. В каждом конкретном случае максимальная глубина конверсии компонента субстрата зависит от соотношения в нем доноров и акцепторов электронов.

Динамика изменения содержания летучих жирных кислот (ЛЖК) зольности и влажности культуральной жидкости изображена на рис. 3.13. Фазе I (брожения) соответствует период максимального накопления ЛЖК, в фазе II их содержание снижается. В фазе 1 выделяется преимущественно диоксид углерода, далее с развитием метаногенеза в газах брожения начинает преобладать метан.

Скорость процессов гидролиза органических соединений субстрата, обычно лимитирующая процесс сбраживания, существенно зависит от дисперсности частиц. Для ускорения ферментативного гидролиза целесообразно подвергать субстрат тонкому измельчению или гидролизовать с химическими реагентами при температуре, до 170 °С, рН 6, времени выдержки 30 мин и более. Такая обработка ускоряет процесс сбраживания на 40 %.

Дальнейшее превращение субстратов с образованием кислот и газов протекает со скоростью, зависящей только от физиологических возможностей сообществ микроорганизмов при условии обеспечения достаточного перемешивания. Требования к перемешиванию культуральной жидкости при метановом брожении не сформулированы достаточно строго. Имеются данные о положительном влиянии перемешивания на скорость процессов брожения. По другим сведениям пе­ремешивание не влияет на интенсивность сбраживания.

Для нормального массопереноса компонентов субстрата к клеткам, безусловно, необходимо обеспечивать некоторое перемешивание культуральной жидкости. Перемешивание не должно приводить к значитель­ному выносу твердых частиц субстрата с иммобилизованными на них микроорганизмами с покидающей реактор жидкостью. Это условие не является обязательным для анаэробных реакторов со вторичными отстойниками и рециркуляцией биомассы.

Кинетические константы кислотообразования и метаногенеза гораздо ниже, чем аэробного окисления, поэтому анаэробные процессы практически не лимитируются субстратом даже при низкой интенсивности перемешивании.

Поскольку реальные субстраты для метанового сбраживания обычно представляют собой дисперсии с широким спектром размеров частиц, кинетика всего анаэробного процесса определяется кинетикой гидролиза полнодисперсной фазы. Прослеживаются два режима утилизации компонентов субстрата: быстрый — в начальный период сбраживания и медленный — в заключительный период. Высокая скорость утилизации субстрата в начальный период процесса объясняется разложением растворенных и мелкодисперсных компонентов. Затем, после истощения легкоусвояемого субстрата, скорость процесса начинает определяться гидролизом более крупных частиц вплоть до полного прекращения брожения.

 

Рис. 3.13. Изменение влажности (/), зольности (2) и содержания ЛЖК (3) в субстрате при периодичеком сбраживании

Рис. 3.14. Зависимость производительности E/τ анаэробного реактора по сброженному веществу от времени τ пребывания при ε=0,06ч-1

 

 

Определяющее влияние на скорость анаэробных ферментативных процессов имеет температура сбраживания. Различают сбраживание психрофильными (4—25°С, предпочтительно 15—20°С), мезофильными (20-40°С, предпочтительно 35°С) и термофильными (45—70°С, предпочтительно 55°С) культурами анаэробных микроорганизмов. Выделение биогаза происходит уже при 4°С. Наиболее предпочтнтельными режимами признаны мезофильный (30-35°С) и термофильный (50-57°С), Существует мнение, что в интервале температур между 35 и 48°С брожение практически прекращается. Однако, по многочисленным данным, процесс протекает нормально при температурах 37-39°С и более.

В соответствии с законом Аррениуса скорость процессов ферментации возрастает с увеличением температуры вплоть до 60 °С - мак­симальной для практической реализации метанового брожения. При температуре 35 °С скорость газовыделения вдвое выше, чем при 26 °С.

В реакторах непрерывного действия глубина сбраживания (см. раздел 4) зависит от времени пребывания жидкости и степени задержки (рециркуляции) биомассы. При высоких скоростях разбавления метаногенез может вообще не развиваться, в реакторе будут происходить только процессы частичного гидролиза сложных субстратов и кислотообразования.

В таком случае следует увеличить время пребывания и принять меры к задержке взвешенных частиц в реакторе (увеличить возраст ила). Если целью ферментации является очистка жидкости от органических соединений, то время пребывания в реакторе нужно увеличивать для достижения большей глубины сбраживания. При необходимости достижения наибольшей производительности реактора по газу следует подбирать такие значения скорости разбавления, чтобы с единицы объема реактора снимать наибольшее количество газа, но глубина сбраживания при этом будет уменьшаться. Максимальная производительность может быть определена по формуле

Е / τ    - max .      (3.3)

где глубина сбраживания Е по ХПК или углероду зависит от скорости разбавле­ния D=1/τ по модели (рис. 3.14) .

На графике. максимальная производительность по сброженному веществу (газу) соответствует времени пребывании в реакторе 7,5 ч. В данном примере принято, что кинетический коэффициент с учетом задержки биомассы е =0,05 ч -1. В этом режиме глубина сбраживания составят всего 0,1, т. е. в биогаз будет превращаться лишь незначительная часть субстрата. Высокая производительность реактора по газу будет достигаться за счет большого расхода субстрата, проходящего через реактор. При снижения расхода субстрата увеличатся время пребывания и глубина сбраживания Е, но уменьшится производительность по газу.

Увеличить глубину сбраживания при каком-то фиксированном D можно в результате увеличения "возраста" ила [(уравнение (4.7)]. Каждый конкретный субстрат имеет определенное соотношение растворенных и взвешенных органических веществ и без предварительного экспериментального определения кинетических характеристик процесса анаэробного разложения невозможно предсказать, как глубоко он будет сброжен в данном реакторе. На "возраст" ила в значительной мере будут влиять дисперсность, седиментационные свойства частиц, размеры и конструкция вторичного отстойника или гидродинамическая обстановка внутри реактора. При конструировании анаэробного реак­тора необходимо стремиться к возможно меньшему выносу частиц. Для выполнения этого условия применяют так называемые реакторы с восходящим потоком (Upflow reactors), в которых перемешивание осуществляется подаваемым снизу вверх потоком циркулирующей культуральной жидкости. Скорость осаждения частиц должна быть больше скорости восходящего потока.

Для задержки биомассы в реакторе используются различные носители с развитой поверхностью, на которой иммобилизуются микроор­ганизмы. В качестве носителей биопленки исследованы, например, трубчатые керамические элементы, гравий (D= 25—40 мм), полихлор­виниловые трубки.

Предварительный химический гидролиз сырья и сбраживание в реакторах с восходящим потоком и носителем биопленки позволили увеличить производительность более чем в пять раз по сравнению с реакторами-смесителями. Особенно продуктивны термофильные реак­торы с удельной площадью биопленки 120-140 м3 на 1 м объема.

Для анаэробной обработки высокозагрязненных сточных под со значительным количеством дисперсной фазы и крупными частицами (например стоков убойных цехов, площадок для предварительного содержания скота мясокомбинатов) нецелесообразно применять какие-либо искусственные носители биомассы. Достаточное количество биопленки образуется на самих частицах загрязнений, и задача состоит лишь в том, чтобы организовать задержку и медленное перемешивание суспензии в реакторе. Для малозагрязненных вод с небольшим отношением взвешенных веществ к растворенным применение заполни­телей дает гораздо больший эффект по скорости и глубине сбраживания. В таких реакторах целесообразно очищать сточные воды от пе­реработки картофеля, предприятий консервной промышленности, сахарных заводов (после предварительного отстаивания).

Реакторы, в которых очистка осуществляется иммобилизован­ными микроорганизмами, относят к реакторам второго поколения. Особенно эффективны метантенки с псевдожиженным слоем носителя иммобилизованной микрофлоры. В качестве таких носителей используют гранулы активного угля и пластических масс, песок. Переработ­ка молочной сыворотки в метантенках с кипящим слоем, заполненных дробленым углем и песком с частицами диаметром ~ 0,2 мм, позво­лила достичь снижения ХПК до 95 % в течение времени пребывания 0,4-0,5 сут.

Фирма Biomass Ltd предложила метантенк для обработки высоко­загрязненных сточных вод, от пищевых и микробиологических произ­водств с ХПК до 30 г/л и БПК до 20 г/л. Особенностью конструкции является сочетание неподвижного носителя биопленки с подвижным, находящимся в псевдокипящем слое. В мезофильном режиме работы снижение ХПК достигает 89 %, БПК — 95 %.

Все типы реакторов с иммобилизованной биопленкой характери­зуются высокой степенью задержки биомассы (малыми значениями µ), приспособлены к значительным колебаниям нагрузки, но требуют строгого соблюдения технологической дисциплины, надежных систем автоматизации. Отмечаются определенные трудности при пуске таких реакторов, связанные с медленным нарастанием биопленкн.

В практике анаэробной переработки отходов применяются понятия "гидравлическая нагрузка" и "нагрузка по органическому веществу" (ХПК, БПК). Из величины нагрузки на единицу объема реактора рас­считывают или определяют выход газа, глубину сбраживания.

Гидравлическая нагрузка является параметром, с которым свя­зан выход газа или глубина сбраживания данного субстрата в конкретном реакторе. Величина гидравлической нагрузки не определяет одно­значно технологических параметров сбраживания субстратов разных кон­центраций. Этого недостатка лишено понятие "нагрузка по органическому веществу", поскольку в определенных пределах изменения от ее обычно линейно зависит выход био­газа (рис. 3.15). На рис. 3.15 при­ведена типичная эмпирическая зависимость выхода газа Fr от на­грузки по ХПК (субстрат - отходы консервного завода).

 

 

Нагрузка по веществу N (по определению) связала со скоростью разбавления N= D· So

 

Рис. 3.15. Зависимость выхода газа (Fr) из реактора объемом 500 м3 от нагрузки по ХПК (N)

 

Если увеличивать нагрузку по веществу и результате роста So, то вы­ход газа также будет возрастать по зависимости, близкой к линейной, до достижения концентраций субстрата, ингибирующих процесс (приблизительно 15% органического вещества в бражке). Таким образом, эмпирические зависимости технологических параметров метанового сбраживания от нагрузки являются кусочно-линейной аппроксимацией более сложных функций, связывающих глубину сбраживания Е, скорость разбавления D, удельную скорость роста сообщества µ, кинетический коэффициент ε (см. раздел 4).

Фактические значения нагрузок по органическому веществу на единицу объема анаэробных реакторов, перерабатывающих стоки пи­щевых предприятий, приведены в табл. 3.6. Концентрация загрязнений в сброженной жидкости определена во взболтанной пробе, и по полу­ченному значению рассчитана глубина очистки.

 

3.6. Показатели работы анаэробных реакторов при переработке стоков различных производств

Сточная вола

 

Температура, С

 

Нагрузка по органическому веществу,

кг/(м3 -сут)

Глубина очистки, %

 

 

Переработки картофеля                                     

22

1,92

43 (по БПК)

Производства крахмала                                     

32

.

3,79

56 (по БПК)

Консервного завода                                             

35

5-7,3

 

88-91 (по ХПК)

Свеклосахарного завода                                     

35

-

98 (по БПК)

Мясопереработки

32-34

2,4

91 (по БПК)

Пивоваренного производства                          

35

1,60

90 (по БПК)

 

 

Выход биогаза из единицы сброженного вещества и его состав зависят от конкретного вида субстрата, соотношения в нем различных классов органических веществ. В научно-технической литературе нет единообразия в представлении данных об удельном выходе газа из вещества субстрата. Чаще всего встречается такой показатель, как объемное количество биогаза, приходящегося на единицу массы поступающего на анаэробную переработку органического вещества. Поскольку выход газа зависит от глубины сбраживания, то использовать упомянутый параметр для сравнения работы различных реакторов невозможно.

Более строго характеризуется процесс величиной выхода биогаза из единицы массы сброженного вещества. Например, из 1 кг сброженеого БПК выделяется, по одним данным, 0,334 м3 биогаза, по дру­гим - из 1 кг сброженного органического вещества может быть получено от 0,222 до 0,7 м3 биогаза. При анаэробной обработке активного ила из 1 кг сброженного ХПК образуется 0,102-0,2 м3 биогаза. Если принять, что состав газа, выделяющегося при сбраживании органических отходов естественного происхождения, соответствует приблизительно 60% СН4 и 40% СО2 (по объему), то 1 кг сброженного углерода превращается в 1,623 м3 биогаза. Практические анализы дают несколько более низкое значение из-за неизбежных потерь при обработке проб. Расчетный выход газа из единицы сброженного углерода является наиболее надежным показателем, позволяющим сравнивать работу различных анаэробных реакторов. На практике для сравнительного анализа конструкций и режимов работы анаэробных реакторов часто используют такой параметр, как удельная скорость газовыделения. По различным данным, в зависимости от интенсивности процесса этот показатель может измениться от 0,6 до 6 м3 газа на 1 м3 объема реактора в сутки и более. Как правило, удельная скорость газовыделения выше в реакторах с большим "возрастом" биомассы, вы­сокой степенью задержки взвешенных веществ.

Концентрация субстрата до 15-20% абсолютно сухого вещества (АСВ) не подавляет процесс сбраживания, известны успешные попытки анаэробной переработки субстратов с содержанием сухого вещества до 40 %. В процессе сбраживания из-за потери вещества с газом происхо­дит разжижение культуральной жидкости, снижение ее вязкости, что позволяет нормально эксплуатировать реактор.

Подачу субстрата следует осуществлять по возможности непрерывно. Допускается подача субстрата не реже чем раз в сутки, иначе процесс сбраживания нарушается и ухудшаются показатели работы реактора.

В настоящее время получили распространение двух- и даже ступенчатые анаэробные реакторы, где процессы гидролиза сложных соединений, кислотообразоваяия и метаногенеза протекают в отдельных емкостях. Идея разделения фаз анаэробного процесса представляет­ся плодотворной, поскольку кинетические константы кислотообразовання и метаногенеза различаются. Для ацидогенеза при 32˚ С µmax = 0,164 м -1 (модель Моно). Метаногенные ассоциации растут медленнее, поэтому для них объем реакционной зоны должен быть в два-четыре раза больше. В метантенках с фазовой сепарацией (разделением фаз) можно создать наиболее благоприятные условия для развития каждой микробной ассоциации. Это позволяет сократить суммарный объем реактора, уменьшить эксплуатационные расходы. С другой стороны, двух- и трехступенчатые реакторы с различными режимами работы сложно увязать в единую систему, для этого требуются надежные средства автоматизации и управления. Реакторы с фазовой сепарацией не имеют преимуществ перед обычными при сбраживании субстратов с высоким содержанием дисперсной фазы.

Отношение С/N в субстрате имеет важное значение для нормального анаэробного процесса. Достаточным является значение С/N =< 17. При более значительном преобладании углерода необходимо вводить азот в виде (NH4)2СО3. Стоки пищевых предприятий, как правило, имеют благоприятное для анаэробного процесса соотношение С/N и достаточное содержание фосфора.

На процесс анаэробного разложения органических веществ значительно влияет наличие в субстратах различных минеральных компонентов, многие из которых токсичны для микроорганизмов. В табл. 3.7 приведены данные о влиянии различных примесей на процесс сбраживания. В малых концентрациях многие токсичные вещества оказы­вают стимулирующее действие на развитие анаэробного биоценоза, выступая в качестве необходимых микродобавок.

Такие распространенные примеси, как натрий (стоки мясокомбинатов) или кальций (стоки сахарных заводов), имеют довольно высокую пороговую концентрацию, угнетающую процесс. Это позволяет применять к указанным сточным водам технологию анаэробного обезвреживания. Стоки сахарного завода с высоким содержанием Са+2 могут быть очищены в анаэробном реакторе на 95 % по ХПК. Образующийся карбонат кальция способствует хорошему осаждению анаэробного ила и не влияет отрицательно на жизнедеятельность анаэробных микроорганизмов.

Реакторы для анаэробной очистки. Типовые метантенки (рис. 3.16) выполняются из железобетона и имеют четыре основных типоразмера (табл. 3.8).

В типовых метантенках практически отсутствует перемешивание осадка, не предусмотрено отстаивания и рециркуляции анаэробного ила. Подогрев жидкости осуществляется инжектированием пара.

 

3.7. Влияние концентрации примесей на анаэробный процесс, мг/л

 

Компонент   

Стимуляция

Угнетение

Токсичность

Аммонийный азот                                        

50-200          

1,500-3,000            

3,000

Натрий  

100-200        

3,500-5,500           

8.000

Калий 

200-400    

2.500-4,500           

12.000

Магний

75-150

1,000-1,500            

3.000

Кальций

100-200        

2,500-4,500           

8,000

Медь

100                 

150-250                

300

Цинк

50

150

250

Никель

50

100-300                

500

Хром (VI)

-

100

200

Хром (III)             

50

100-300                

300

Железо (III)

100

150-300               

500

Железо (II)                                                        

100

300-500               

1,000

Цианиды

1

2-4

5

Сульфиды в щелочной среде

-

30

50

Сульфиды и кислой среде                                

50

100

200

Детергенты

100

150-300               

500

Фенол

50

100

150

 

3.8. Основные характеристики типовых метантенков

 

Номер типового проекта

Диаметр, м

Объем, м3

Стоимость резервуара, тыс. руб

902-2-227

12,5

1000

42,72

902-2-228

15

1600

59,86

902-2-229

17,7

2500

83,65

902-2-230

20,0

4000

124,86

 

 Аналогичные конструкции применяются за рубежом. При темпе­ратуре 30-37 С процесс сбраживания осадков очистных сооружений длится 18-24 сут.

Ежесуточно на московской станции аэрации подвергается сбраживанию в метантенках типовой конструкции 30 тыс. м3 осадков влажностью 96-96,5 %. Время брожения около 7 суток, выход газа 10—13 м3 с 1 м3 субстрата. Для осадков коммунально-бытовых стоков принят термофильный режим сбраживания (50—57 С), обеспечивающий снижение вероятности сохранения патогенной микрофлоры. Однако такой режим требует больших затрат на подогрев жидкости, чем мезофильный. Для сжигания биогаза в котельных необходимы специальные горелки, отличающиеся от горелок для природного газа. Биогаз, выходящий из метантенка, имеет давление около 5...6 Па, поэтому его транспортировка на далекие расстояния без предварительного сжатия невоз­можна. Целесообразно использовать биогаз в котельных, расположенных непосредственно возле метантенков.

 

 

Рис. 3.16. Конструкция типового метантенка для сбраживания осадков сточных под:

1 - железобетонный корпус; 2 — камеры загрузки и выгрузки; 3 — газовый колпак; 4 - люк; А - субстрат; Б — сброженная жидкость; В - опорожнение, резервуара; Г -биогаз

 

За рубежом главным образом применяют мезофильное сбрзживание при температуре 30-40 С. Это в основном связано с высокой стоимостью топлива. Снижение мировых цен на энергетическое сырье позволяет реализовать термофильный процесс, имеющий более высокую скорость сбраживання и снижающий содержание патогенной микрофлоры. К другим достоинствам термофильного брожения относят более низкую растворимость газов и вязкость культуральной жидкости, высокую скорость диффузионного переноса компонентов субстрата к клеткам.

Развитием техники сбраживання следует считать появление устройств для возврата отстоенной биомассы анаэробных микрорганизмов в реактор. Кроме того, в настоящее время продолжают совершенствоваться схемы и аппаратура для поддержания температуры в метантенке. На рис. 3.17 показана принципиальная схема системы анаэробной очистки с применением биогаз для подогрева сбраживаемой жидкости.

 

Рис. 3.17. Принципиальная схема системы анаэробной очистки с утилизацией биогаза на подогрев метантенка:

1 — метантенк; 2 - газгольдер; 3 - газовый водонагреватель; 4 — теплообменник вторичного подогрева субстрата; 5 - тепло­обменник-рекуператор; 6 — от­стойник; А - субстрат; Б - сброженная жидкость; В — избыточный ил; Г – биогаз.

 

 

Финская фирма ЕМВОМ поставляет комплекты оборудования с горизонтальными анаэробными реакторами объемом 60, 120 и 170 м3, имеющими поперечные перегородки для лучшего перемешивания осадка (рис. 3.18).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 3.18. Комплект оборудования дня метанового сбраживания фирмы ЕNВОМ:

1 — сборник субстрата; 2 — блок управления; 3 — электродвигатель; 4 — насос подачи субстрата; 5 - уровень, жидкости в реакторе; б – теплообменник-подогреватель; 7 — реактор; 8 — циркуляционный насос для теплоносителя; 9 - перегородки; 10 - прибор контроля температуры 11 - блок управлении. подачей теплоносителя; 12 - исполнительный механизм переключения потока теплоносителя; 13 - патрубок выхода сброженной жидкости; 14 - предохранительный клапан; 15 - ловушка для очистки ила; 16 - -горелка; 17 - газовый счетчик; 18 - подогреватель теплоносителя газовый; 19 - подогреватель теплоносителя электрический; 20 - теплоноситель на внешние нужды; 21 — контроль температуры; 22 - электронагреватель; 23 - насос для теплоносителя

 

Для анаэробных реакторов, так же как и для аэробных, справедливо правило, что наилучшей является конструкция, обеспечивающая наибольшую концентрацию активной биомассы в реакционной зоне. В последнее время основным направлением является создание реакторов с иммобилизованной микрофлорой и взвешенным слоем био­массы (рис. 3.19). В Нидерландах разработаны высокоэффективные анаэробные реакторы со взвешенным слоем биомассы, имеющие ряд общих конструктивных признаков. Один нз них — типа BioThane (рис. 3.20) - представляет собой прямоугольный в плане резервуар, в нижнюю часть которого подается очищаемая жидкость. Благодаря наличию внутри емкости наклонных перегородок взвешенная биомасса задерживается в нижней части реактора, а газ собирается в газовых карманах. В верхней части реактора очищенная вода эвакуируется через переливы. Реактор открыт сверху, над уровнем жидкости отсутствует избыточное давление, взвешенные вещества эффективно задерживаются в реакционной зоне. Разработаны и эксплуатируются реакторы BioThane объемом 200, 800 м3 и более. На сахарном заводе реактор такого тина перерабатывает 2400 м3/сут сточной воды с ХПК 7,5 г О2/л. Рабочий объем реактора 1160 м3, нагрузка по ХПК — 15,5 кг/(м3-сут). При мезофильном процессе.выход газа 0,39 нм3/кг сброженного ХПК. Глубина сбраживания 87,5 % ХПК.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 3.19. Виды анаэробных реакторов:

а. - с иммобилизованной биомассой; б - с иммобилизованной и свободновзвешенной биомассой; в - с внутренним отстойником; 1 - насадка; 2 - лопастная мешалка; 3 - турбинная мешалка; А - субстрат; Б - сброженная жидкость; Г – биогаз

 

 

 

 

 

 

Рис. 3.20. Реактор BioThane:  .    .
1 - корпус; 2 - наклонные перегородки;  3 - газовые карманы; 4 - распределительное устройство;   5 - перелив; А - субстрат; Б – сброженная жидкость, Г - биогаз                                                                               

 

 

 

Рис. 3.21. Реактор СSМ:

1 - распределительное уст­ройство; 2 - наклонные перегородки; 3 - циркуляционные трубы. А - суб­страт; Б - сброженная жидкость; В - осадок; Г — биогаз

 

Западногерманская фирма ВМА производит анаэробные реакторы типа СSМ, предназначенные для очистки сточных вод сахарных заводов. По конструкция системы газоотведения и задержки биомассы эти реакторы аналогичны BioThane, но их нижняя часть цилиндрической формы (рис. 3.21). Для предотвращения отложения минеральных отходов и поддержания биомассы во взвешенном состоянии реакторы СМ снабжены средствами для струйного перемешивания бродящей массы. Объем таких метантенков — 200 м3. Технико-экономические показатели те же, что и у реакторов BioThane.

Анаэробные реакторы с иммобилизованной микрофлорой получают большее распространение, чем аэробные, поскольку в них не нужно организовывать условия для интенсивного массообмена. В лучитх конструкциях аппаратов для анаэробной переработки минимальное время пребывания составляет 6-15 ч при 85-90 % очистке но ХПК, что превышает характеристики аэротенков, используемых для очистки концентрированных стоков предприятий пищевой промышленности, а затраты энергии на подогрев жидкости в метантенке сравнимы с затратами на аэрацию.

Анаэробные реакторы уже не рассматриваются как пригодные исключительно для обработки осадков сточных вод. Уменьшение требуемого времени пребывания, следовательно, и обьемов реакторов позволяет полностью подвергать анаэробной очистке весь сток предприятия. Анаэробная очистка становится одним из необходимых звеньев технологии глубокой биологической очистки концентрированных субстратов.

Количество образующегося биогаза пропорционально концентрации органических загрязнении в исходной сточной воде. При низких концентрациях субстрата выделяющегося газа может не хватить на подогрев поступающей в метантенк сточной жидкости. Тем не менее, метантенки целесообразно применять в качестве первой ступени очистки, обеспечивающей не только снижение загрязненности, но и нормальную работу в зимнее время последующей аэробной ступени в результате нагрева жидкости. Такая схема позволяет сократить длительность аэробной очистки, поскольку метаболиты анаэробной ступени не тормозят скорость аэробных процессов. Количество выделяющегося биогаза не имеет принципиального значения, так как применение анаэробных систем может окупить себя вследствие снижения стоимости всей системы биологической очистки.

 

3.3. КОМБИНИРОВАННЫЕ СХЕМЫ ОЧИСТКИ

 

В практике очистки хозяйственно-бытовых стоков комбинированные системы практически не применялись. Низкоконцентрированные субстраты могли быть очищены в одноступенчатом аэротенке до показателей, удовлетворяющих нормам сброса в открытые водоемы. Применение анаэробной ферментации для обработки осадков первичных отстойников и избыточных активных илов не рассматривалось как технологическая операция очистки воды. До настоящего времени термин "искусственная биологическая очистка" многими специалистами применяется только к аэробной очистке.

С появлением необходимости быстро и глубоко очищать высоко­концентрированные субстраты возникли схемы, включающие две или три ступени аэротенков. В пищевой промышленности станции двухсту­пенчатой аэробной биологической очистки имеются на многих сахарных и молочных заводах, мясокомбинатах.

Очистка на первой ступени протекает обычно довольно глубоко (на 90-95% по БПК5). В процессе культивирования в жидкости на­капливаются продукты обмена сообщества микроорганизмов, которое находится в реакторе первой ступени. Для изъятия этого остаточного субстрата, составляющего 5 — 10% исходной концентрации, требуется другое сообщество микроорганизмов как по видовому составу, так и по физиологической активности. Скорость очистки на второй аэробной ступени зависит от того, насколько глубоко очищена вода на первой ступени. Для достижения заданных показателей по глубине изъятия субстрата время аэрации на второй ступени должно быть в три-пять раз больше, чем на первой. Принятые объемы второй ступени очистки на действующих предприятиях сахарной, мясной и молочной промышленности явно недостаточны.

С целью сокращения времени очистки на второй ступени и снижения объема аэротенков целесообразно использовать приемы иммобилизации микроорганизмов. Плохо оседающий ил второй ступени не задерживается во вторичных отстойниках, и для создания его высокой относительной концентрации хороший эффект дает применение различных материалов - носителей биопленки. Описана очистка по схеме аэротенк - биофильтр стоков молочного завода концентрацией 5910-7330 мг О2/л ХПК и 2125-2720 мг О2/л БПК5 находят применение подобные схемы для очистки стоков сахарных заводов и других пищевых предприятий. Для решения вопроса о применении биофильтра на второй ступени очистки можно использовать следующий подход. Если принять, что при достаточной производительности аэраторов на первой ступени за 20 часов можно достичь 95 % изъятия, то при концентрации субстрата 5600 мг О2/л по БПК5 очищенная вода будет иметь 280 мг О2/л БПК5. Это близкая к предельной концентрации, при которой биофильтры работают достаточно эффективно. Кроме того, надо иметь ввиду, что после предшествующей аэробной очистки скорость процесса в аэробном биофильтре снижается.

Более высокая концентрация, субстрата, поступающего на первую ступень очистки (аэротенк), приведет к превышению предельной за­грязненности выходящего стока и биофильтры на второй ступени не справятся с очисткой.

Разработка новых конструкций анаэробных ферментаторов со взвешенным слоем биомассы и иммобилизованными микроорганизмами дала возможность использовать метановое сбраживание как одну из ступеней очистки жидкости. Сокращение времени анаэробной ферментации с нескольких суток до 12-24 часов приводит к соответствующему уменьшению обьема ферментатора, делает его соизмеримым с объемом аэротенков. По глубине истощения субстрата метановое брожение с последующим отделением биомассы также приближается к аэроб­ному процессу. Преимуществом анаэробной ферментации является низкий экономический коэффициент (0,05-0,10 г биомассы на 1 г ХПК). Анаэробный ил уплотняется гораздо лучше (до 50 г/л), чем аэробный, что наряду с низкой продуктивностью по биомассе позволяет сократить объем образующихся избыточных осадков в 15-25 раз.

При метановой ферментации из субстрата изымаются преимущест­венно только углеродсодержащие субстраты. Потери азота незначительны и имеются только в результате отделения анаэробной биомас­сы от сброженной жидкости. Поэтому отношение С/N в стоках существенно уменьшается. Изменяя параметры анаэробного процесса, можно управлять величиной С/N в очищенной жидкости с целью достижения наиболее подходящих значений для последующей аэробной обработки.

В проектах очистных сооружений сахарных заводов заложена, например, станции внесения биогенных элементов перед аэробной очисткой. Для корректировки отношения С/N в стоках требуется около 300 т в год минеральных удобрений (сульфата аммония, суперфосфата). Применение метантенков для обработки сточной воды перед аэротенками позволит убрать 60-80% углерода и получить стоки с благоприятным для последующей очистки составом и концентрацией загрязнений, в 4-10 раз более низкой. Это, в свою очередь, примерно во столько же раз снизит расходы на аэрацию, объемы сооружении и эксплуатационные затраты.

Продукты анаэробной ферментации не угнетают процесс аэроб­ной очистки. Кинетические константы аэробного процесса для сточной воды, обработанной в метантенке, имеют такие же значения, что и для исходного стока. Выдержка в анаэробных условиях сточной воды после первой аэробной ступени значительно ускоряет последующую аэробную очистку.

Анаэробно-аэробный метод очистки стоков пищевых предприятий за рубежом применяется достаточно широко. Изготовляются компактные установки производительностью по жидкости 100 м3/сут и более.

Шведская фирма АС Biotechnics предлагает технологию с торговым названием АНАМЕТ для очистки концентрированных субстратов естественного происхождения. Установка состоит из метантенка, вторичного отстойника анаэробного ила, аэротенка-отстойника и вторичного отстойника аэробного ила (рис. 3.22). Линия укомплектована тепло­обменниками для подогрева сбраживаемой жидкости, насосами, КИП и автоматикой. Поступающая сточная вода нагревается в теплообмен­нике до 35-37 °С и подается в метантенк, где происходит конверсия в биогаз 85% органического углерода. Осуществляется рециркуляция анаэробного активного ила из вторичного отстойника. Дальнейшая очистка производится в аэротенке-отстойнике, аэробный ил из вто­ричного отстойника частично возвращается в аэротенк, а избыток на сбраживание в метантенк. Общее снижение загрязненности —98% по БПК5. Предлагаются различные модификации процесса анаэробно-аэробной очистки, однако принципиальная схема, по которой построе­на технология АNАМЕТ, практически не изменяется. Новшества касаются только конструкции реакторов и отстойников, применения реа­гентов для обработки осадков.

 

 

   Рис. 3.22. Схема установки АНАМЕТ:

   1 - подогреватель субстрата; 2 - метантенк; 3 - отстойник метантенка; 4 — аэротенк; 5 - отстойник аэротенка;  А - субстрат;  Б -очищенная жидкость, В - аэробный активный ил; Г – биогаз

 

В молочной промышленности анаэробно-аэробный метод очистки стоков применяется более 10 лет. В США сточные воды молочного завода с ХПК 3920 мг О2/л, БИК5 3300 мг О2/л очищают по схеме, включающей анаэробную ферментацию, очистку на аэробном биофильтре, а затем в аэротенке. Глубина очистки с возвратом избыточного ила на аэробную ступень составляет 98 - 99% по ХПК и БПК5. Жиры и нефтепродукты в очищенной воде не обнаруживаются при их концентрации в исходном стоке до 1200 мг/л.

Опыты на пилотной установке для очистки сточных вод молочного завода с ХПК 3000 мг О2/л показали, что при применении метода типа АМАМЕТ достигается снижение ХПК на 96%, нагрузка на метантенк составляла 1-2,5 кг ХПК/(м3-сут), при этом глубина конверсии в биогаз достигала 60—77,7 %, выход метана — 300 л/кг снятого ХПК. В спиртовой промышленности анаэробно-аэробную очистку применяют для переработки стоков с БПКПОЛН > 6000 мг О2/л. Установ­ки этого типа эксплуатируются на мелассно-спиртовых заводах США, ФРГ, Японии, Индии, Польше. Снижение загрязненности в метантенках составляет 70—90 %. Мелассная барда с загрязненностью 9,4 - 12,5 кг О2/м3 по БПК5 может быть очищена анаэробным способом на 90—97% при объемных нагрузках 1,5-3,8 кг/(м3·сут) и продолжительности процесса 6-7 суток. Выход метана 0,58-0,78 м3/кг снятого БПК5.

Необходимость длительной очистки стоков с чрезвычайно высокой загрязненностью (мелассная барда) вынудила искать пути предварительного снижения содержания органических веществ в результате их утилизации с получением кормовых белково-витаминных продуктов. На послеспиртовой барде организовано крупнотоннажное производство кормового белка. Содержание органических веществ в барде за счет культивирования дрожжей Saccharomyces, Candida, Torulopusis может быть снижено на 80-90%.

Комбинированная схема, включающая стадию выращивания чистой или обогащенной культуры микроорганизмов и последующую анаэробно-аэробную очистку жидкости, находит применение и на других пищевых предприятиях.

В молочной промышленности используется технология Аbсоr, в которой для предварительной очистки применяют ферментативное превращение углеводов молочной сыворотки в этанол. Включение этой стадии в схему дозволяет снизить БПК стоков на 90% и для после­дующей очистки жидкости применить анаэробно-аэробный метод.

Ведутся исследования по применению культивирования дрожжей перед анаэробно-аэробной обработкой производственных сточных вод сахарных заводов. Отмечено, что дрожжевая ферментация, имеющая целью получение кормовой биомассы, позволяет подготовить стоки к метановой ферментации путем разложения углеводов до более прос­тых соединений. В результате этого содержание метана в биогазе по­вышается до 90 %.

 

 

Выбор типового проекта метантенка (См. программу Norma SC)

 

Совместно с канализационными осадками допускается подача в метантенки других сбраживаемых органических веществ после их дробления. При сбраживании изменяется химический состав осадка в сторону повышения зольности и снижения углеводов, жиров и белков. Применяют два режима сбраживания осадков: мезофильный (33° С) и термофильный (53° С). Выбор процесса следует производить на основании технико-экономических расчетов с учетом последующей обработки и утилизации осадка, а также санитарных требований.

Объем метантенков определяется в зависимости от фактической влажности осадка (или смеси осадка с активным илом) по суточной дозе загрузки по формуле, м3


 

V = Мобщ • м3\ D (117)

где Мобщ — количество осадка (или смеси осадка с активным илом), поступающего за сутки в метантенк,

м3\ D — суточная доза загрузки в метантенк, принимаемая по табл. 62. 

 

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

 Y = a — n1D, (118)

где у — распад беззольного вещества, %;

а — максимально возможное сбраживание беззольного вещества загружаемого осадка, %;

пг — коэффициент, зависящий от влажности осадка и принимаемый по табл. 62.

 

Таблица 62. 
Суточная доза D загружаемого в метантенк осадка и значение коэффициента пл при расчете метантенков

 

Режим сбраживания    Температура сбраживания, °С                                              

 

Мезофильный                         33

Термофильный                       53

Влажность загружаемого осадка, %             93 94 95 96 97

Суточная доза D, %

1 7 8 9 10 1 11

14 | 16 18 20 22

Коэффициент пг

Мезофильный   33   1,5  0,89   0,72  0,56  0,4

Термофильный 53 0,455 0,385 0,31  0,24  0,17

 

Максимально возможное сбраживание беззольного вещества загружаемого осадка следует определять в зависимости от химического состава осадка по формуле

 а = (0,92ж + 0,62у + 0,346) . 100, (119)

где ж, у, б — соответственно содержание жиров, углеводов и белков, г на 1 г беззольного вещества осадков. При отсутствии данных о химическом составе осадка допускается принимать: для осадков из первичных отстойников а0 = 53%; для избыточного ила аи = 44%; для смеси осадка с активным илом аСм по среднеарифметическому соотношению Смешиваемых компонентов по беззольному веществу.

 

Величину а для смеси осадка с активным илом определяют по формуле

асм = (а0Обз + аиибз)/Мбз = (0,53Обз + 0,44i/63)/Af63, (120)

где Обз, Ut3 и Мб3 определяются по формулам табл. 53. 

Выход газа определяют по уравнению Г = (а — ttxD)/100, (121)

где Г — выход газа в м3 на 1 кг загружаемого беззольного вещества (плотность газа принята равной 1). 

 

При наличии в сточных водах ПАВ величину суточной нагрузки Д принятую в табл.9, проверяют по формуле, %

и С (100 — W) ' yvLL)

где С — содержание ПАВ в осадке в мг/г сухого осадка, принимаемое по экспериментальным данным или табл. 63;

q — предельно допустимая нагрузка рабочего объема метантенка в сутки, принимаемая 40 г/м3 для алкилбензолсульфонатов с прямой алкильной цепью, 85 — для других «мягких» и промежуточных анионных ПАВ; 65 — для анионных ПАВ в бытовых сточных водах.

 

 

Таблица 63. Содержание анионных ПАВ, же на 1 г сухого вещества осадка (СНиП И-32-74)

 

Исходная концентрация ПАВ в сточной воде, мг/л 5 10 12
Осадок из первичных отстойников 5 С 15
Избыточный активный ил с О 13
Исходная концентрация ПАВ в сточной воде, мг/л 20 О 7
Осадок из первичных отстойников 17 25 30
Избыточный активный ил 7 20 24

 

 

При проектировании метантенков надлежит предусматривать следующие условия: герметичность резервуаров, рассчитанная на давление газа до 300 мм вод. ст.\ площадь газосборной горловины для пропуска 700—1000 м3 газа в сутки на 1 мг\ перемешивающие устройства пропуска всего объема бродящей массы в течение 5 — 10 ч.

 

 

Таблица 64. Оборудование. Конструктивные размеры метантенков

 

Типовый проект   902-2-227 902-2-228 902-2-229 902-2-230  
Диаметр, м 10 12,5 15 17,5 20 24,2
Полезный объем одного резервуара, м3 500 1000 1600 2500 4000 5200
Высота, м 1,45 1,9 2,35 2,5 2,9 4,63
Строительный объем, м3 5 6,5 7,5 8,5 10,6 8,5
верхнего конуса цилиндрической части 1,7 2,15 2,6 3,05 3,5 4,9
нижнего конуса   652 2035 2094 2520 3011
здания обслуживания киоска газовой сети   100 112 136 174 212

 

 

Необходимо также предусмотреть мероприятия, обеспечивающие взрывобезопасность оборудования и обслуживающих помещение метантенков, подогрев и перекачку осадка, системы отвода газа, опорожнения резервуара и переключения трубопроводов.


Рекомендуется принимать типовые конструкции метантенков (табл. 64). Объем избыточного активного ила, образующийся на очистной станции, в 1,5—2,5 раза превышает объем осадка из первичных отстойников.


Высокая влажность и большое содержание белка в иле обусловливает низкий выход газа при анаэробном сбраживании. По экономическим показателям значительно выгоднее сбраживать в метантенках один сырой осадок, а активный ил подвергать аэробной стабилизации.


При этом значительно сокращается объем метантенков, что позволяет полностью обеспечить их теплом за счет сжигания образующегося газа. Особенно перспективно и экономично применение аэробной стабилизации избыточного неуплотненного активного ила при невысокой концентрации взвешенных веществ в сточной жидкости на небольших очистных станциях. Оборудование установки аэробной стабилизации по сравнению с оборудованием установки анаэробной стабилизации проще как в конструктивном исполнении» так и при эксплуатации. Аэробную стабилизацию осуществляют в аэрационных сооружениях — аэротенках с пневматической, механической или пневмомеханической аэрацией. Аэробная стабилизация заключается в длительном аэрировании в сооружениях типа аэротенков, в результате чего происходит распад (окисление) основной части биоразлагаемых органических веществ до конечных продуктов — С02, Н20 и Н3. Оставшиеся органические вещества стабилизируются, т.е. становятся не способными к последующему загниванию.
Аэробный процесс сопровождается потреблением кислорода примерно 0,7 кг на 1 кг органического вещества. Эффективность процесса аэробной стабилизации зависит от его продолжительности, интенсивности аэрации, температуры, а также состава и свойства окисляемого осадка. Все органические вещества (ОВ) осадка, поступающего на стабилизацию, S можно условно разделить на две части: активную (распадающуюся) Sa и инертную St. Относительный распад ОВ в процессе стабилизации а определяют по формуле

a = (S0-St)/Sot (123)

 

Он не может превысить некоторой величины А предела распада, определяемого по формуле

4 = Sae/S0, (124)

 где индекс 0 характеризует начальное состояние, а индекс t — состояние через время t.

 

 

Литература. Проектирование очистных сооружений канализации. Южно-уральский университет. Челябинск.

Литература. Определение ХПК в сточных водах.

Литература. ГОСТ 25150 82. Канализация

 

 


Hosted by uCoz

 

 

Вперед, на главную страницу