Анаэробные процессы

В технологии очистки городских сточных вод анаэробное окисление применяют в основном к концентрированным субстратам. На станции биологической очистки к их числу относятся сырой осадок, образующийся при предварительном (перед биологической очисткой) отстаивании сточной воды, и избыточный активный ил, или биопленка. Осадок и активный ил относятся к группе гидрофильных органических субстратов, легко загнивающих и потому подлежащих обработке.

Основными органическими компонентами осадка и ила являются белки, жиры и углеводы, в сумме составляющие 75—85% беззольного (органического) вещества. Остальные 15—20% приходятся на долю лигниногумусового комплекса. Количественные соотношения веществ указанных классов в осадке и иле заметно различаются. В активном иле больше белков, так как он представляет собой живую биомассу, а осадке преобладают жиры и углеводы.

Важная характеристика осадка и ила — бактериальная обсемененность и наличие яиц гельмитов. Около 40—50% бактерий, присутствующих в сточной воде, и примерно столько же яиц гельмитов при отстаивании переходят в осадок. Еще около 40% биологических загрязнений оказывается в активном иле. Так как суммарный объем этих осадков обычно не превышает 1% от объема сточной воды, очевидно, что концентрация биологических загрязнений в них существенно больше, чем в исходной воде. Так, содержание коли-форм в 1 г сухого вещества осадка составляет 107—108, активного ила — 106—107. Это делает осадки чрезвычайно опасными в санитарно-эпидемиологическом отношении, поэтому одной из целей обработки осадков является из обезвреживание.

Анаэробное окисление органических компонентов осадка осуществляют по типу брожения. Брожение называют метановым, так как метан — один из конечных продуктов процесса.

Процесс сбраживания можно проводить либо в мезофильном режиме при 30-35°С, либо в условиях термофильных температур 50—55°С. В последнем варианте достигается полное обезвреживание осадков.

Биоценоз микроорганизмов, сбраживающих осадок, называют анаэробным илом. В отличие от активного ила аэротенков анаэробный ил — чисто бактериальный с чрезвычайно разнообразным населением. Условно бактериальное население анаэробного ила можно разделить на две группы, кислотообразующие бактерии и метаногенные или метанообразующие бактерии.

Кислотообразующие бактерии представлены облигатными и факультативными анаэробами. Из бродящего осадка разными исследователями выделено от 50 до 92 видов бактерий, из них около половины способны образовывать споры. В совокупности кислотообразующие бактерии способны использовать в качестве источников энергии и элементов для конструктивного обмена все компоненты осадка и ила. Время генерации многих видов кислотообразующих бактерий составляет 20—60 мин. Они способны жить в широком интервале значений рН и окислительно-восстановительного потенциала.

Виды метанообразующих бактерий немногочисленны и относятся в трем родам: Methanobacterium, Methanococcus, Methanosarcina. Все метаногенные бактерии — облигатные анаэробы, очень чувствительные к любым даже слабым окислителям. Оптимум рН и ОКВ ограничен очень узким интервалом, соответственно 6,8—7,5 и (—510)—(—590) мВ. Они очень медленно размножаются: время генерации составляет от 24 ч до нескольких суток.

Закономерности биохимического окисления веществ в анаэробных условиях. Последовательность биохимических превращений сложных органических компонентов осадка и активного ила в процессе брожения принято описывать схемой Баркера. В соответствии с этой схемой метановое сбраживание представляют как двухстадийный процесс, включающий стадии кислотообразования и метанообразования.

Стадия кислотного брожения. Эту стадию осуществляют кислотообразующие бактерии. Обладая высокой гидролитической активностью, бактерии гидролизуют белки, жиры и углеводы осадка и ила, превращают их в соединения, легко проникающие внутрь клеток. Внутриклеточные превращения продуктов гидролиза белков, жиров и углеводов приводят к образованию кислот и спиртов жирного ряда, Н2 и СО2. Более 70% образовавшихся кислот приходится на долю уксусной кислоты, около 25% составляют масляная и пропионовая кислоты, в небольших количествах образуются капроновая и валериановая кислоты.

Стадия щелочного или метанового брожения. Метаногенные бактерии, осуществляющие эту стадию, не способны утилизировать сложные органические компоненты осадков, но потребляют низшие жирные кислоты и соответствующие спирты — продукты метаболизма кислотообразующих бактерий. Биологическая роль образования метана состоит в получении клеткой необходимой энергии.

Существуют два основных пути образования метана.

1. Восстановление метальной группы уксусной кислоты и метилового спирта:

CH3COOH CH4 + CO2;

4CH3OH 3CH4 + CO2 + H2O.

2. Восстановление диоксида углерода:

4АН2 + СO2 СН4 + 2Н2O + А,

где АН2 — жирные кислоты, кроме уксусной, и спирты, кроме метилового.

Например, превращение этилового спирта происходит в соответствии с реакцией:

2СН3СН2OН + СО2 СН4 + 2СН4СООН.

По типу реакции происходит и восстановление молекулярным водородом — продуктом первой стадии брожения:

2 + СO2 СН4 + 2Н2О.

Общая схема превращения низших жирных кислот и соответствующих спиртов в процессе метанового брожения показана на рисунке

Биохимические превращения веществ на стадии метанообразования

Считается, что около 70 % метана образуется в реакциях, а остальные 30% — при восстановлении диоксида углерода. Образующийся в процессе брожения газ состоит из метана (65 — 70%) и СO2.

В нормально работающем метантенке обе стадии брожения идут синхронно. Любые нарушения режима сбраживания (перегрузка, перегрев, изменение ОКБ) в первую очередь сказываются на метаногенных бактериях, поэтому усилия технологов направлены на поддержание оптимальных условий жизнедеятельности метанообразующих бактерий.

www.ovode.net 2011