Способы биологической очистки сточных вод и получения биогаза

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики

Факультет пищевых биотехнологий и инженерии

КУРСОВАЯ РАБОТА

на тему:

«Способы биологической очистки сточных вод и получения биогаза»

Выполнил(а): А.А. Омельянович

Проверил: Ю.А. Рахманов

Санкт-Петербург

2019 год

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

1. Биологическая очистка сточных вод

2. Метантенк как аппарат для получения топлива из органического сырья

3. Анаэробная очистка сточных вод предприятий молочной промышленности с применением биогаза

Список использованных источников

ВВЕДЕНИЕ

Обратимся к истории, ещё в городах древнего Рима, Египта и Греции существовали канализационные системы, по которым отходы жизнедеятельности людей и животных транспортировались в водоёмы - реки, озера и моря. В Древнем Риме перед сбросом в Тибр канализационные стоки накапливались и выдерживались в накопительном пруде-отстойнике-клоаке (cloaca maxima). В Средние века этот опыт был в значительной степени забыт, потом, экскременты людей и животных, выливались на городские улицы и удалялись эпизодически. Это являлось причиной загрязнения и заражения источников питьевой воды и приводило к возникновению эпидемий холеры, тифа, амебной дизентерии и др. В начале 19 века в Англии был изобретен туалет с водяным смывом (water closet, WC). Возникла очевидная необходимость в обработке сточных вод и предотвращения их попадания в источники питьевой воды. Сточные воды собирали и выдерживали в больших емкостях, осадок использовали в качестве удобрений. В начале двадцатого века были разработаны интенсивные системы очистки бытовых сточных вод, включая поля орошения, где вода очищалась, фильтруясь через почву, струйные фильтры со щебневой и песчаной загрузкой, а также резервуары с принудительной аэрацией - аэротенки. Последние являются основным узлом современных станций аэробной очистки городских сточных вод. Первоначально основной целью очистки стоков являлось их обеззараживание. Понимание важности качественной очистки сточных вод для охраны природных водоемов пришло позже. Проблемой чистой воды является одной из актуальнейших проблем наступившего века. Для сохранения мест забора питьевой воды чистыми необходима качественная очистка сточных вод, производство которых Украине достигает 500 литров в сутки на душу городского населения. В настоящее время разработаны и развиваются современные технологии очистки сточных вод. Наибольший интерес и перспективу имеют естественные и самые дешевые биологические методы очистки, представляющие собой интенсификацию природных процессов разложения органических соединений микроорганизмами в аэробных или анаэробных условиях. С точки зрения экономической выгоды любому производству интересны технологические способы, учитывающие принципы экономики замкнутого цикла. Если говорить непосредственно о биологической очистки сточных вод, то здесь возможно получение биогаза, который можно было бы «возвращать» в цикл в качестве топлива, а также отправлять на экспорт в случае получения больших объемов [1].

1. БИОЛОГИЧЕСКАЯ ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД

Очистка сточных вод подразумевает практически полное биологическое разложение органических соединений в воде. По существующим нормам, содержание органических веществ в очищенной воде не должно превышать 10 мг/л.

Биохимическая очистка основана на использовании закономерностей биохимического и физиологического самоочищения рек. Этот процесс протекает благодаря способности некоторых микроорганизмов разрушать органические и некоторые неорганические соединения (например, сульфиды и соли аммония), превращая их в безвредные соединения. - продукты окисления - воду, двуокись углерода, нитрат и сульфаты.

1. Деградация органических веществ микроорганизмами в аэробных и анаэробных условиях осуществляется с разными энергетическими балансами суммарных реакций. При аэробном биоокислении глюкозы 59% энергии, содержащейся в ней, расходуется на прирост биомассы и 41% составляет тепловые потери. Этим обусловлен активный рост аэробных микроорганизмов. Чем выше концентрация органических веществ в обрабатываемых стоках, тем сильнее разогрев, выше скорость роста микробной биомассы и накопления избыточного активного ила. При анаэробной деградации глюкозы с образованием метана лишь 8% энергии расходуется на прирост биомассы, 3% составляют тепловые потери и 89% переходит в метан. Анаэробные микроорганизмы растут медленно и нуждаются в высокой концентрации субстрата.[ 2 Вишаренко В.С. «Принципы управления качеством окружающей среды городов. Урбоэкопогия.» М.: Наука. 1990.]

Аэробный процесс: С6Н12О6+6О2->6СО2 +6Н2О+ микробная биомасса + тепло.

Анаэробный процесс: С6Н12О6->3СН4 +3СО2+ микробная биомасса + тепло.

Аэробный осуществляется бактериями при наличии в воде кислорода и является основным способом биоочистки. Существует несколько видов устройств, использующих аэробный принцип.

В биофильтрах сточные воды пропускаются через слой крупнозернистого материала, покрытого тонкой бактериальной плёнкой. Благодаря этой плёнке, служащей действующим началом, быстро протекают процессы биологического окисления.

В биологических прудах в очистке сточных вод принимают участие все организмы, населяющие водоём.

В аэротенках (огромных резервуарах из железобетона) очищающим началом служит активный ил из различных микроорганизмов. Их развитию способствуют органические вещества, поступающие со сточными водами, а так же искусственно создаваемый избыток кислорода. Ферменты, выделяемые микроорганизмами, минерализуют органические загрязнения.

Биологический метод даёт хорошие результаты при очистке коммунальных стоков. Он применяется и при очистке стоков предприятий целлюлозно-бумажной, нефтеперерабатывающей промышленности.

Аэробное микробное сообщество представлено разными микроорганизмами, в основном бактериями, окисляющими различные органические вещества в большинстве случае независимо друг от друга, хотя окисление некоторых веществ осуществляется путем соокисления (кометаболизм). Аэробное микробное сообщество активного ила систем аэробной очистки воды представлено исключительным биоразнообразием. В последние годы с помощью новых молекулярно-биологических методов, в частности специфических рРНК проб, в активном иле показано присутствие бактерий родов Paracoccus, Caulobacter, Hyphomicrobium, Nitrobacter, Acinetobacter, и т.д.

Считается что к настоящему времени идентифицировано не более 5% видов микроорганизмов, участвующих в аэробной очистке воды. Следует отметить, что многие аэробные бактерии являются факультативными анаэробными. Они могут расти в отсутствии кислорода за счет других акцепторов электрона (анаэробное дыхание) или брожения (субстратное фосфорилирование). Продуктами их жизнедеятельности являются углекислота, водород, органические кислоты и спирт.

Анаэробный осуществляется бактериями, не требующими кислорода и заключаются в сбраживании загрязняющих веществ в закрытых аппаратах без доступа воздуха - метатенках и может применяться для предварительной подготовки стоков, с большим содержанием органических осадков.

Биологической очистке сточных вод обычно предшествует механическая очистка. А следуют за ней химические и физико-химические методы (хлорирование, электролиз, озонирование).

Анаэробная деградация органических веществ, при метаногенезе осуществляется как многоступенчатый процесс, в котором необходимо участие по мере четырех групп микроорганизмов: гидролитиков, бродильщиков, ацетаногенов и метаногенов. В анаэробном сообществе между микроорганизмами существуют тесные и сложные взаимосвязи, имеющие аналоги в многоклеточных организмах, поскольку ввиду субстатной специфичности метагенов, их развитие невозможно без трофической связи с бактериями предыдущих стадий. В свою очередь метановые археи, используя вещества, продуцируемые первичными анаэробными, определяют скорость реакций, осуществляемых этими бактериями. Ключевая роль в анаэробной деградации органических веществ до метана играют метановые археи родов Methanosarcina, Methanosaeta (Methanothrix), Methanomicrobium и другие. При их отсутствии или недостатке анаэробное разложение заканчивается на стадии кислотогенного и ацетогенного брожений, что приводит к накоплению летучих жирных кислот, в основном масляной, пропионовой и уксусной, снижению рН и остановке процесса[4].

Биоплато. Прогрессивным развитием методов естественной биологической очистки являются биоинженерные сооружения типа биоплато. Для очистки и доочистки сточных вод населенных пунктов могут быть использованы конструкции типа инфильтрационных и поверхностных биоплато.

Инфильтрационное биоплато - инженерное сооружение, размещенное, как правило, в котловане глубиной до 2 м, на дне которого устраивается противофильтрационный экран из полиэтиленовой пленки. Поверх крана укладывается горизонтальный дренаж и слой щебня, песка, керамзита или другого фильтрующего материала. Поверхность сооружения засаживается камышом, тростником, рогозом и другими местными видами высшей водной растительности из расчета не менее 10-12 стеблей на 1 - 2 м.

По технологии биоплато в очистке воды принимает участие сообщества водных (на поверхности блока) и почвенных (в фильтрующем слое) микроорганизмов, высшая водная растительность и сам фильтрующий слой.

Очистные сооружения типа биоплато: А - инфильтрационное биоплато; Б - поверхностное биоплато: 1 - подача воды на очистку; 2 - отстойник; 3 - осадок; 4 - распределительный трубопровод; 5 - противофильтрационный экран; 6 - растительный грунт; 7 - песок; 8 - щебень; 9 - дренаж; 10 - высшая водная растительность; 11 - каменная наброска; 12 - очищенная вода

биологическая очистка сточный биогаз

Поверхностное биоплато также размещается в котловане и имеет противофильтрационный экран. Роль дренажа выполняет каменная наброска, вместо фильтрующего слоя укладывается грунт котлована, поверхность которого засаживается высшей водной растительностью. Высшая водная растительность, кроме очистительной функции, обеспечивает повышенную транспирацию (испарение) очищаемой жидкости в летний период примерно на 10-15%. Транспирационные свойства высшей водной растительности могут быть использованы также для ускорения подсушивания иловых площадок, повышения пропускной способности и эффективности очистки полей фильтрации.

Очистные сооружения по технологии биоплато состоят, как правило, из нескольких блоков, располагаемых каскадом, причем блок поверхностного биоплато является концевым. В состав сооружения биоплато в качестве концевого может быть включен болотистый участок (естественное поверхностное биоплато) с наличием достаточных зарослей высшей водной растительности. Начальным блоком сооружения является отстойник, где происходит удаление крупных включений и взвешенных веществ.

По технологии биоплато обеспечивается очистка хозяйственно-бытовых сточных вод по БПК до 5-10 мг/л, по взвешенным веществам - до 8-12 мг/л, причем наличие взвешенных веществ в основном связано с выносом их из фильтрующего слоя. Значительно (на 40-70%) снижается содержание соединений азота и фосфора. Сооружения биоплато, удачно расположенные по рельефу местности, не требуют применения электроэнергии, химикатов и обеспечивают надежную работу как в летний, так и в зимний период. Для очистки производственных сточных вод по технологии биоплато требуется производить их предочистку в соответствии с особенностями их состава и свойств[5].

Необходимо отметить, что существующими методами очистить сточные воды полностью, на 100% не только технически невозможно, но и экономически нецелесообразно. После определённой границы затраты на каждый дополнительный процент очищения возрастают по экспоненте. Поэтому обычно поступают так - очищают воду до определённой экономически обоснованной границы, затем разбавляют её чистой водой таким образом, чтобы содержание примесей не превышало определённые предельно допустимые значения. Биопрепараты как средство для инициации и интенсификации очистки сточных вод.

В настоящее время существует множество биопрепаратов, используемых для очистки сточных вод. Это консорциумы микроорганизмов, выделенные методом накопительных культур обычно из активного ила аэротенков городских сооружений очистки сточных вод. Они используются для очистки сточных вод местного значения, например в селах, дачных и коттеджных поселках, небольших поселках городского типа, мини - заводах и т.п. Биопрепараты, содержащие органическое число видов микроорганизмов, по спектру разлагаемых веществ уступают свежему активному илу. Однако, они содержат быстро растущие штаммы, которые инициируют процессы разложения органических загрязнений. В не стерильном процессе развиваются также микроорганизмы, содержащие в отходах, и в микробное сообщество включаются недостающие звенья.

Действие микроорганизмов биопрепаратов в том, что в процессе своей жизнедеятельности они вырабатывают ферменты, которые способны, расщеплять жиры, белки и другие сложные вещества органического происхождения на более простые органические вещества, которые легко разлагаются ими до углекислоты и простых соединений азота. После добавления препарата возрастает концентрация микроорганизмов, а следовательно и степень очистки. Клетки микроорганизмов иногда иммобилизуют на твердом дисперсном носителе, который может служить дополнительным источником азота и фосфора. Препараты содержат ассоциации 6-12 штаммов аэробных и факультативно анаэробных микроорганизмов, обеспечивающих комплексную очистку сточной воды от органических загрязнений: жиров, белков, сложных углеводов, и даже (специализированные) от нефтепродуктов. В качестве питательных элементов биопрепараты содержат соли азота и фосфора, которые стимулируют рост микроорганизмов и выработку микроорганизмами липолитических, амилазолитических, карбогидразных, и других ферментов, максимально облегчающих разложение органики. Аналогичные биоактиваторы, но с несколько другим составом, применяются так же при производстве компоста, в биотуалетах и т.п.

Вывод. Преимуществом аэробной очистки является высокая скорость и использование веществ в низких концентрациях. Существенными недостатками, особенно при обработке концентрированных сточных вод, является высокие энергозатраты на аэрацию и проблемы, связанные с обработкой и утилизацией больших количеств избыточного ила. Аэробный процесс используется при очистке бытовых, некоторых промышленных и свиноводческих сточных вод с ХПК не выше 2000. Исключить указанные недостатки аэробных технологий может предварительная анаэробная обработка концентрированных сточных вод методом метанового сбраживания, которая не требует затрат энергии на аэрацию и более того сопряжена с образованием ценного энергоносителя - метана. Преимуществом анаэробного процесса является также относительно незначительное образование микробной биомассы. К недостаткам следует относить невозможность удаления органических загрязнений в низких концентрациях. Для глубокой очистки концентрированных сточных вод анаэробную обработку следует использовать в комбинации с последующей аэробной стадией. Выбор технологии и особенности обработки сточных вод определяется содержанием органических загрязнений в них.

Сточные воды больших городов и небольших поселков значительно отличается по концентрации органических загрязнителей. Содержание органических загрязнителей в сточных водах больших городов не превышает 500 мг/л, составляя обычно 200-300 мг/л. Бытовые сточные воды небольших населенных пунктов содержат больше органики, от 500-1000 г./л и более. В современных дачных и коттеджных поселках часто туалетные и кухонные сточные воды, содержащие большое количество органических загрязнений, отделяются от стоков ванных комнат. Для очистки сточных вод интенсивно развивающихся коттеджных поселков строятся локальные очистные сооружения, для пуска которых и вывода на рабочий необходимо использовать активный ил городских станций аэрации или специальные микробные препараты[3].

2. МЕТАНТЕНК КАК АППАРАТ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ТОПЛИВА ИЗ ПРОМЫШЛЕННЫХ ОТХОДОВ

Биохимическая технология Ї один из эффективных методов обезвреживания в сточных водах загрязняющих компонентов и дальнеи?шие их преобразования в зависимости от различных факторов. Очистные сооружения с высокоразвитои? индустриеи? городов не справляются с поставленнои? задачеи?. В связи с этим предложены альтернативные способы неи?трализации и обезвреживания стоков с использованием биофильтров, метантенков и других аппаратов. С другои? стороны также все большеи? популярностью пользуются альтернативные виды топлив, одним из которых является биометан, имеющии? в своем составе до 87% чистого метана. «Биометан» или иногда встречается его другое название «биогаз» образуется в результате безкислородного сбраживания - анаэробных условиях. Необходимо отметить, что наряду с метаном образуются и другие газы такие как оксид углерода (II), оксид углерода (IV), сероводород, небольшие примеси водорода, азота и аммиака. Учитывая оба фактора можно провести модернизацию очистных сооружении? с использованием ресурсосберегающеи? биохимическои? технологиеи? очисткисточных вод различных предприятии?.

Предполагаемая схема очистки сточных вод заводов и коммунальных стоков представлена на рис. 2. Сточная вода поступает на решетки 1, где удаляется мусор и крупные механические включения.

Усреднитель 2 обеспечивает накопление и усреднение стока, предварительное биологическое зачисле- ние органических веществ, что способствует более эффективнои? дальнеи?шеи? обработке. Далее в пер-вичном отстои?нике 3 происходит отделение легко осаждаемых взвесеи? и зооглеи?ных бактерии?. В аэротенке 6

После чего вода поступает на вторичныи? осветлитель 7. Очищенная вода из осветлителя самотеком по- ступает на дизинфекцию от бактерии? 8. Активныи? ил после вторичного осветлителя 7 поступает на илоуплотнитель 9.?Ключевым этапом биологическои? очитки являются метантенки 12 (анаэробные реакторы), где происходит обезвоживание осадков. Осадки после усреднителя 2, радиального отстои?ника 5 и вторичного осветлителя 7 поступают на горизонтальную центрифугу 10, где происходит разделение неоднородных систем. После чего суспензия поступает на гидроэлеваторы 11 и благодаря напору осадок по- ступает в метантенки 12. Осадок после деструкции отводится из метантенка на иловые площадки 13. После сушки осадок утилизируется. Биогаз, образующии?ся в процессе сбраживания осадка, собирается в верхнеи? части метантенка, откуда с помощью газопровода отводиться в газгольдер 14, и далее может использоваться вторично, например, поступать в котельную или мини ТЭЦ.

Рис. 2 - Блок - схема очистки сточных вод: 1 - реше?тки; 2 - усреднитель; 3 - бак с HCl; 4 - бак с NaOH; 5 - радиальныи? отстои?ник; 6 - аэротенк; 7 - вторичныи? осветлитель; 8 - хлорирование; 9 - илоуплотнитель; 10 - горизонтальная центри- фуга; 11 - гидроэлеваторы; 12 - метантенки; 13 - иловые площадки; 14 - газгольдер

Литературныи? обзор показал, что промышленные метантенки имеют недостаток в том, что осадок около стенок, в верхнеи? и нижнеи? его частях неполностью подвергается деструкции. В настоящее время активно ведется обсуждение о внедрении в конструкцию метантенков мешалок. Нами предло- жена съемная крышка, с размещением внутри корпуса лопастных мешалок (рис. 3). Конструкция разработана с учетом тяжелого органического остатка после пищевых производств. Дополнительно предусмотрено устрои?ство для обезвоживания осадка от пищевого производства перед поступлением его в метантенк. Модернизация конструкции метантенка подрузумевает кроме установки мешалки оставить рециркуляцию для увеличения скорости процесса деструкции.

Схема устрои?ства модернизированного метантенка для деструкции осадка сточных вод производства с органическими остатками представлена на рис. 3. Внутреннии? объем метантенка представляет собои? герметичныи? железобетонныи? резервуар 4, в которыи? через приемныи? трубопровод 5 поступает на переработку сырои? осадок, а через трубопровод 6 подводится водянои? пар для подогрева осадка и дальнеи?шего сбраживания. Для интенсификации процесса сбраживания содержимое метантенка постоянно перемешивается лопастнои? мешалкои? с по- мощью двигателя 1 и редуктора 2 для обеспечения циркуляции осадка и иловои? воды. Сброженныи? осадок отводиться из метантенка через трубопровод 8 с помощью насоса 7. Осадок, переработанныи? в метантенке, безопасен в санитарном отношении, его подсушивают на иловых площадках и дробят. Далее он может использоваться в качестве удобрения для рекультивации почв, либо отправляться на депонирование.

Горючии? газ метан, образующии?ся в процессе сбраживания осадка, собирается в верхнеи? части метантенка, откуда с помощью газопровода 9 отводиться в газгольдер 10, которыи? можно заменить на любои? аппарат очистки и разделения газовои? смеси, и далее газ может поступать в котельную или мини ТЭЦ.

Рис. 3 - Схема устрои?ства модернизированного метантенка: 1 - двигатель; 2 - редуктор; 3 - крышка; 4 - железобетонныи? корпус; 5 - трубопровод для подачи осадка; 6 - трубопровод для подачи пара; 7 - насос; 8 - трубопровод для отво- да осадка; 9 - газопровод для отвода биогаза; 10 - газгольдер

Для расчета метантенка очистных сооружении? необходимо знать количество органического остатка и приблизительныи? его состав для выбора режима аппарата. Учитывая специфику сточных вод с большим содержанием органических субстратов, режим сбраживания Ї термофильныи?, а концентрация взвешенных веществ в воде С поступающеи? на первичные отстои?ники приблизительно равна 12,46 г/л.

Расчетные данные показывают, что на очистных сооружениях необходим метантенк. Полученныи? биометан можно использовать в качестве топлива. Соответственно, ликвидируется загрязнение атмосферы, что исключает влияние биогаза на парниковыи? эффект.

Таким образом необходимо проводить модернизацию устаревших очистных сооружении?. Предлагается технологическая схема модернизированных очистных сооружении? с термофильными метантенками. Проведены расчеты, которые обосновывают их необходимость не только с экологическои? точки зрения для утилизации отходов, но и с природоресурсосберегающеи? Ї получение сырья и переработка его в топливо. Модернизация метантенка заключается в размещениии внутри корпуса лопастных мешалок, которые способствуют перемешиванию тяжелого органического остатка.[6]

3. АНАЭРОБНАЯ ОСЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД ПРЕДПРИЯТИЯ МОЛОЧНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ С ПРИМЕНЕНИЕМ БИОГАЗА

Ярким примером применение биогаза в производственном цикле служит приведенное ниже исследование, он направлено на поиск путеи? практического применения анаэробнои? очистки сточных вод на предприятиях молочного производства. Результатом исследования является разработка технологического процесса с использованием анаэробного реактора Biomar. В работе произведено масштабирование опытно-промышленнои? установки по очистке сточных вод молочного производства анаэробным методом. На основе лабораторных исследовании? составлена принципиальная технологическая схема производства, выполнен рас- чет материального баланса, а также технологические расчеты основного обору- дования. Технико-экономические расчеты показали, что использование получа- емого при очистке сточных вод биогаза в качестве топлива для котельнои? уста- новки позволяет сократить расход природного газа и снизить себестоимость процесса очистки сточных вод на предприятии Danone, г. Екатеринбург.

В настоящее время особое значение имеет развитие современных систем водоотведения хозяи?ственно-бытовых и производственных сточных вод, обеспе- чивающих высокую степень защиты окружающеи? природнои? среды от загрязне- нии?. Наибольшее внимание при проектировании, строительстве и реконструк- ции канализационных очистных сооружении? уделяется разработке новых техно- логических решении? в вопросах улучшения качества очищенных сточных вод, а также обработки и утилизации осадков, образующихся на очистных сооруже- ниях.

Целью даннои? работы являлось проведение лабораторных исследовании? и проектирование на основе их результатов технологического процесса очистки сточных вод предприятия Danone.

Сточные воды молокоперерабатывающих заводов содержат высокие кон- центрации органических загрязнении? (жир, белок, лактоза), загрязнены также не- органическими соединениями и синтетическими поверхностно-активными веществами, бактериями. Их содержание может в тысячи раз превышать предельно допустимые значения.

Объектом лабораторных исследовании? в даннои? работе были сточные воды предприятия Danone, содержащие творожную сыворотку, суточныи? объем которых составляет 9,9 м3. Творожная сыворотка является разновидностью мо- лочнои? сыворотки и представляет собои? жидкость от бледно-желтого до зеленоватого цвета. Химическии? состав творожнои? сыворотки приведен в табл. 1.

Химическии? состав и свои?ства творожнои? сыворотки

В состав сыворотки входят также витамины Е, С, группы В, причем до- статочно редкие их формы - биотин (В7, Н, кофермент Q) и холин (витамин В4). Сыворотка содержит ценные минеральные соли фосфора, магния, кальция.

Методы очистки сточных вод делят на механические, физико-химические и биологические. Биологические методы очистки сточных вод основаны на жиз- недеятельности микроорганизмов, которые минерализуют растворенные органические соединения, являющиеся для микроорганизмов источниками питания.

Анаэробное разложение органических веществ осуществляется сообществом микроорганизмов, составляющих трофическую цепь первичных и вторичных анаэробов. В отличие от трофических цепеи? микроорганизмов в аэробных процессах, где взаимоотношения между группами организмов характеризуются в основном отношениями «хищник - жертва», для трофических систем при ме- тановом сбраживании характерно использование продуктов обмена одних групп бактерии? другими. В процессе могут участвовать 5 основных групп метановых бактерии?: Methanococcus, Methanobacterium, Methanospirillum, Methanotrix, Methanosarcina. Метановые бактерии - строгие анаэробы; они весьма чувстви- тельны к присутствию в среде растворенного кислорода и нитратов. Оптималь- ное значение рН = 7,0-7,5. Источниками углерода для метановых бактерии? являются ацетат-ион и углекислыи? газ, источником энергии служит водород, главным источником азота - аммиак, а источником серы - сульфиды, хотя могут быть также цистеин и сульфаты. Метаногены испытывают также потребность в раз- личных микроэлементах (К, Na, Mg, Co, Cu, B, Zn, Mo). Первичные анаэробы осуществляют стадии гидролиза и кислотообразования, вторичные - стадии аце- тогенеза и метаногенеза. Для них питательные и энергетические субстраты об- разуются на предшествующих стадиях в результате деятельности первичных анаэробов. К вторичным анаэробам относятся сульфатредуцирующие бактерии.

Конверсию моносахаридов на примере глюкозы можно представить сле- дующим образом:

C6H12O6 > C2H5OH + CH3COOH + 2CO2 + 2H2 C2H5OH + H2O > CH3COOH + 2H2 CH3COOH > CO2 + CH4?CO2 +4H2>CH4+2H2O

При распаде белков некоторые из образующихся продуктов (NH3, СО2) связываются между собои? или с другими веществами и остаются в растворе, со- здавая щелочность среды. Жироподобные вещества при гидролизе распадаются на глицерин и высокомолекулярные жирные кислоты, которые в результате других последовательно протекающих реакции? превращаются в уксусную кислоту и далее в СН4 и СО2.

При сбраживании белков выделяется меньше газа за счет образования про- дуктов распада, не переходящих в газ; удельныи? выход газа при распаде жиров почти в 1,5 раза выше, чем при распаде углеводов и белков; при сбраживании белков и жиров в биогазе содержится больше метана, чем при сбраживании углеводов [7].

Пределы сбраживания не зависят от температуры, но скорости распада каждого компонента в термофильных условиях в 1,6-1,7 раза выше, чем в мезо- фильных. Максимальнои? скоростью распада обладают белки, минимальнои? - углеводы [8].

Таким образом, при метановом сбраживании необходимо всегда рассмат- ривать не отдельные группы бактерии?, а все сообщество в целом. Эффективность процесса сбраживания в таком сообществе зависит не только от деятельности организмов, участвующих в даннои? реакции, но и от жизнедеятельности бактерии?, потребляющих продукты этои? реакции. Накопление продуктов обмена однои? из стадии? процесса ведет к торможению других. Бактерии, работающие на разных стадиях, имеют свои морфологические и физиологические особенности, выражающиеся в разных скоростях роста, чувствительности к рН и О2 и др. Все это играет большую роль в создании сбалансированнои?, хорошо работающеи? системы [7].

Интенсификацию процесса метанового брожения проводят для достиже- ния следующих целеи?:

- сокращение продолжительности сбраживания при достижении заданнои? степени распада с целью уменьшения объемов сооружении? и, следовательно, ка- питальных затрат;

- повышение количества биогаза, выделяющегося в процессе брожения, с целью его использования для сокращения затрат на обогрев самих метантенков и дополнительного получения других видов энергии;

- увеличение содержания метана в биогазе с целью повышения его теп- лоты сгорания и эффективности утилизации;

- достижение хорошего уплотнения и водоотдающих свои?ств сброжен- ного осадка с целью сокращения затрат на сооружения для его обезвоживания.

К основным способам интенсификации технологии относят: повышение температуры сбраживания и эффективности перемешивания осадка в метантенке, переход на его непрерывную загрузку и выгрузку, двух- и многоступенчатое сбраживание, при котором вторая и последующие ступени используются для отделе- ния иловои? воды и уменьшения объема сброженного осадка, и, наконец, повыше- ние концентрации осадков и биомассы микроорганизмов в метантенке [7].

Повышение концентрации осадка в метантенке можно обеспечить путем предварительного сгущения загружаемого осадка или рециркуляции сброженного осадка. В первом случае в метантенке увеличивается концентрация сбраживаемого субстрата, во втором - биомасс микроорганизмов, участвующих в процессе.

Для организации процесса биологическои? очистки сточных вод на предпри- ятиях молочнои? промышленности предлагается использовать анаэробные очист- ные сооружения BIOMAR. Благодаря специально рассчитанному объему в смеси- теле происходит качественное усреднение сточнои? воды: естественным образом сглаживаются резкие колебания рН, предотвращается неравномерность поступления стоков на очистку. Еще однои? важнои? функциеи? усреднителя является предварительное биологическое окисление органических веществ, находящихся в сточнои? воде. Продолжительность нахождения воды в усреднителе для предвари- тельного окисления рассчитывали, исходя из степени ее загрязненности.

Прежде чем сточная вода попадет в анаэробныи? реактор Biomar, автомати- чески устанавливаются ее оптимальные параметры (pH =7,2-7,4 и t = 37 °С) [9]. Следует отметить, что при использовании реактора Biomar увеличится произво- дительность очистных сооружении?, повысится качество очистки сточнои? воды, уменьшится количество избыточного ила. Наряду с этим, за счет использования образующегося биогаза (рассчитано, что суточныи? объем образующегося метана - 70 м3) снизится потребление природного газа. Технико-экономические расчеты показали, что годовая экономия от использования биогазового метана в качестве топлива вместо природного газа составит 116 тыс. руб.

Еще одно немаловажное преимущество реактора Biomar - небольшая по- требность в производственных площадях, что позволяет производить рекон- струкцию уже существующих предприятии?.

В процессе очистки сточных вод образуются осадки, которые подверга- ются обезвреживанию, обеззараживанию, обезвоживанию, сушке, возможна по- следующая утилизация осадков. Осадки содержат значительное количество удобрительных макро- и микроэлементов, в первую очередь азота, фосфора и калия. Кроме того, в состав осадков входят цинк, марганец, медь, молибден и др. Осадки, как правило, утилизируются после их обезвоживания.

Обезвоживание сброженных осадков осуществляется с помощью механи- ческих аппаратов - вакуум-фильтров, центрифуг, фильтр-прессов различного типа - и подсушки в естественных условиях на иловых площадках [10]. Сброженныи? осадок имеет высокую влажность (95-98 %), что затрудняет применение его в сельском хозяи?стве. Влажность является основным фактором, определяющим объем осадка. Поэтому основнои? задачеи? обработки осадка является уменьшение его объема за счет отделения воды и получение транспортабельного продукта.

При проектировании очистных сооружении? предприятия Danone на основа- нии проведенных нами лабораторных исследовании? была составлена схема-граф процесса анаэробнои? очистки сточных вод и обеззараживания осадка (рис. 1).

Для решения перечисленных проблем нами предложена система сооруже- нии? и оборудования для анаэробнои? очистки сточных вод и обработки осадка, в которую входят:?1) метантенк для анаэробного сбраживания; ) абсорбер для улавливания сероводорода;?3) газгольдер для сбора выделившегося биогаза;

4) центрифуга для обезвоживания сброженного осадка;?5) сушилка для приведения осадка в форму, пригодную для транспортировки и дальнеи?шего использования.

Рис. 2. Технологическая схема процесса очистки сточных вод и обеззараживания осадка

Продуктом разработанного технологического процесса очистки сточных вод, является очищенная сточная вода. Основные показатели качества очищеннои? сточнои? воды приведены в табл. 2.

В результате применения спроектированнои? системы сооружении? для очистки стоков молочного производства планируется достичь тех значении? контролируемых параметров, которые не нанесут вреда окружающеи? среде и позволят отправить очищенную воду на городские очистные станции. Показатели очищеннои? сточнои? воды

Таблица 2

Таким образом, можно сделать вывод, что биологическая анаэробная технология переработки сточных вод имеет более низкие эксплуатационные затраты, а использование биогаза позволит сократить потребление пара или электроэнергии на 10-15 %.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Васильев Г.В., Ласков Ю.М., «Водное хозяйство и очистка сточных вод предприятий текстильной промышленности». М.: Легкая индустрия, 1976.

2.Вишаренко В.С. «Принципы управления качеством окружающей среды городов. Урбоэкопогия.» М.: Наука. 1990.

3.Стольберг Ф.В. «Экология города» учебник. К.: Либра. 2000.

4. Трочешников Н.С., Родионов А.И., Кельцев И.В., «Техника защиты окружающей среды» Учебное пособие для ВУЗов. - М.: Химия, 1981.

5. Юрьев Б.Т. «Очистка сточных вод малых объектов». Рига, Авотс, 1983.

6. Чудакова О.Г., Бескровныи? Д.В. Анализ и оценка сточных вод. Метантенки. // Вестник технологического университета. - 2016. - Т. 19. - No 16. - С. 293-295.

7. Гюнтер Л. И., Гольдфарб Л. Л. Метантенки. М.: Строи?издат, 1991. 128 с.

8. Гюнтер Л. И. Роль углеводов, жиров и белков в газообразовании при сбраживании канализационных осадков в метантенках // Городская канализация: сб. научн. тр. М.-Л.: ОНТИ АКХ им. К.Д. Памфилова, 1961. Вып. VІ. С. 158-170.

9. Чеботаева М. Очистка сточных вод / пер. с нем. СПб.: Новыи? журнал, 2013. 496 с.

10. Прикладная экобиотехнология: учебное пособие: в 2 т., т. 1 / А. Е. Кузнецов. М.: БИНОМ. Лаборатория знании?, 2010. 629 с.

Размещено на Allbest.ru