Отходы, содержащие значительные количества ферментируемых органических соединений, можно подвергать биологической обработке в анаэробных условиях. Хотя анаэробная обработка применяется во многих процессах, основной сферой использования этого метода является переработка избыточного активного ила (рис. 6.3 и 6.5), образующегося при биологической очистке сточных вод.
Как мы уже знаем из материала предыдущих разделов, концентрированный ил образуется на нескольких стадиях, в том числе при отделении твердых частиц на решетках и в первичном отстойнике, а также при росте микроорганизмов в ходе биологического окисления (при вторичной очистке сточных вод).
Ил далее концентрируют или сгущают часто путем простой седиментации; ликвидации ила обычно предшествует операция анаэробной биологической переработки, являющаяся одним из этапов водоочистки.
Механизм анаэробной переработки отходов, в котором участвует множество видов микроорганизмов, в самом общем и упрощенном виде можно описать следующей схемой:
На первой стадии твердые частицы ила солюбилизируются или диспергируются внеклеточными ферментами, синтезируемыми самыми различными бактериями. В системах для анаэробной обработки ила обнаружены протеолитические, липолитические и некоторые целлюлолитические ферменты. Поскольку в биореакторах для анаэробной переработки ила твердые вещества не накапливаются, то, очевидно, реакции солюбилизации осуществляются достаточно быстро и эта стадия не лимитирует скорость всей последовательности превращений.
Экспериментальное изучение следующей стадии анаэробной переработки ила, а именно микробиологического синтеза низкомолекулярных жирных и летучих кислот из растворенных органических веществ, показало, что скорость осуществляющихся на этой стадии реакций также довольно высока. По вполне понятной причине ответственные за эти превращения организмы называют кислотообразующими бактериями; они являются факультативными анаэробными гетеротрофами и лучше всего функционируют в диапазоне рН от 4,0 до 6,5. Главным продуктом этой стадии является уксусная кислота, хотя в некоторых количествах образуются также пропионовая и масляная кислоты.
Важнейшим субстратом для последней стадии процесса является уксусная кислота; показано, что около 70 % всего метана образуется именно из этого субстрата. Стадия газификации осуществляется с участием метанобразующих бактерий, являющихся облигатными анаэробами.
Эти организмы проявляют наибольшую активность в гораздо более узком диапазоне рН (от 7,0 до 7,8); их сложно выделить в виде соответствующих чистых культур, но в адекватно эксплуатируемом биореакторе (метантенке) смешанная культура этих бактерий находит очень хорошие условия для своей жизнедеятельности. Имеющиеся данные свидетельствуют о том, что превращение летучих кислот в СН4 и СО2 лимитирует скорость всей последовательности превращений.
На рис. 6.7 представлена схема аппарата для анаэробной переработки ила (метантенка). Для предотвращения чрезмерного повышения локальных концентраций кислот содержимое метантенка перемешивают. Создание условий, удовлетворительных как для кислотообразующих, так и для метанобразующих бактерий, обеспечивается поддержанием рН около 7.
На рис. 6.7 указан также выносной теплообменник для поддержания повышенной температуры в резервуаре метантенка. В настоящее время в большинстве случаев температуру содержимого метантенка поддерживают на уровне мезофильного диапазона (около 32-38 °С), который обеспечивает максимальную скорость переработки ила. Имеются указания на то, что скорость процесса можно повысить в еще большей степени, если осуществлять его в термофильном диапазоне (около 55 °С).
Впрочем, такой температурный режим применяют сравнительно редко; одной из причин предпочтения, отдаваемого мезофильному диапазону температур, является меньший расход энергии на нагревание метантенка. При эффективном перемешивании и средней температуре (32-35 оС) необходимое для полной переработки ила время его пребывания составляет от десяти до тридцати суток.
При анаэробной переработке ила образуется топливо, которое можно использовать для снижения эксплуатационных расходов водоочистных станций. Иногда образующийся при анаэробной переработке ила метан используют вне водоочистной станции для выработки тепла и электроэнергии. Газовая смесь, образующаяся при анаэробной переработке ила и накапливающаяся, как это показано на рис. 6.7, в верхней части метантенка, состоит в основном из метана (65-70 %) и углекислого газа. В небольших концентрациях в этой смеси содержатся также сероводород (продуцируемый сульфатредуцирующими бактериями), Н2 и CO.
В связи с повышением цен на топливо, однако, процессам анаэробной переработки ила как потенциальному источнику топлива (после обязательного удаления H2S) уделяется все большее внимание.
Рис. 6.7. Схема установки для анаэробной переработки ила: 1 — смотровые окна; 2 — труба для выхода газа; 3 — предохранительный клапан для регулирования давления (вакуума); 4 — пламягаситель; 5 — трубопровод для отвода газа; 6 — возвратная вода; 7 — возвратная циркулирующая вода и расширительная камера; 8 — регулируемый слив суспензии ила; 9 — регулятор уровня; 10 — вывод из камеры с илом;11 — возврат воды в нагреватель; 12 — выпуск переработанного ила; 13 — дренажные трубы; 14 — подача сырого ила; 15 — газ; 16 — подача циркулирующей воды; 17 — выносной теплообменник; 18 — возврат циркулирующей воды; 19 — верхний уровень ила.
В результате анаэробной переработки ил легче поддается последующим операциям. Во-первых, содержание органических веществ в иле снижается на 50-60 %. Во-вторых, существенные изменения претерпевают и концентрации других компонентов ила.
После анаэробной переработки ил в гораздо меньшей степени подвержен гниению и легче обезвоживается. После обезвоживания (эту операцию часто осуществляют с помощью ротационного вакуум-фильтра) ил высушивают и затем используют в качестве удобрения, складируют или сжигают.
Л. В. Тимощенко, М. В. Чубик