Пречистване на отпадни води

В и КСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 8, 2009

Характеристики на процеса на анаеробно стабилизиране на утайките и съоръжения за провеждането му

 

 Уважаеми читатели, в последния ни брой от миналата година бе поместен редакционен материал, посветен на стабилизирането на утайките, отделяни в процеса на пречистване на битовите и промишлените отпадни води. В статията бе разгледан процесът на аеробно стабилизиране на утайките. В настоящия брой продължаваме със спецификите на процеса анаеробно стабилизиране.

Фазите на анаеробното разграждане
По-подробното разглеждане на процеса на анаеробно разграждане дава възможност за разделянето му в четири фази – хидролиза, ацидогенеза, ацетогенеза и метаногенеза. По време на хидролизата отделените ензими от ферментационните бактерии (т.нар. екзоензими) преобразуват комплексния, неразтворен материал в по-малко комплексни, разтворени компоненти. Те могат да преминат през стените на клетките и мембраните на ферментационните бактерии. Процесът включва хидролиза на протеини (белтъци), хидролиза на полизахариди и хидролиза на мазнини.
Във втората фаза - ацидогенезата, разтворените компоненти, присъстващи в клетки на ферметационни бактерии се преобразуват в множество прости компоненти. Тя включва анаеробно окисляване на аминокиселини и захари, и анаеробно окисляване на високомастни киселини и алкохоли. Образувалите се съединения включват летливи мастни киселини (ЛМК), алкохолна, млечна киселина, СО2, Н2, NH3 и H2S, както и нова клетъчна материя.
Третата фаза - ацетогенезата (представлява междинно киселинно производство), е фаза, при която продуктите на разграждането се превръщат в ацетат, водород (Н2 и СО2), както и в нова клетъчна материя. По време на тази фаза протичат два процеса - образуване на оцетна киселина и Н2 от междинни продукти (в частност летливи мастни киселини), и хомоацетогенеза. Вторият процес включва образуването на оцетна киселина от Н2 и СО2.

Характеристики на метаногенезата
Последната фаза е метаногенеза, при която ацетатът, водородът плюс карбонатът, формиатът или метанолът се превръщат в метан, СО2 и в нова клетъчна материя. Двете подфази на метаногенезата включват образуване на метан - от оцетна киселина и на метан - от водород и въглероден диоксид. Първата подфаза или т.нар. процес киселиногенеза включва процеси на микробиологично разграждане, в които органичните съставки служат както като донор на електрони, така и като приемник. В анаеробния киселинен ферментационен процес разтворените комплексни органични компоненти се превръщат основно в летливи мастни киселини.
Метаногенните бактерии принадлежат към филогенетичната група Arhbacreia. Характерно за тях е, че получават енергия от образуването на метана, но не могат да комбинират това с генерирането на метаноболитна енергия. Неподатливи са на антибиотици, поради съдържащата се в клетъчните им системи мурамова киселина. Около 70 % от образувалия се в метановия реактор метан, е продукт на ацетат делящите се метаногени. Метиловата група на ацетата се присъединява към молекулата на метана, докато карбоксилната група се разделя и в крайна сметка се превръща във СО2 (или НСО3). Споменатата реакция протича с отделяне на енергия - 31,0 KJ на мол превърната оцетна киселина.
Вторите по важност физиологични групи от метаногени са МВ, които образуват метан от Н2 и СО2. Тази група отговаря за приблизително 30% от произведения метан в нормално функционираща анаеробна пречистваща инсталация. Около половината от водород консумиращите метаногенни видове могат да растат и върху мравчена киселина (формиат).

Разграждането се влияе от параметрите на веществата
Процесът на разграждане на органичните вещества се влияе силно от характеристиките на веществата, като състав, температура, влажност, рН на средата, доза на натоварване на изгнивателното съоръжение, разбъркване на утайките и др. Известно е, че най-лесно и пълно се окисляват въглехидратите. Много по-трудно се окисляват мазнините, а най-трудно – лигнинът и нефтът.
Обикновено основни критерии, по които се оценява протичането на процеса на гниене са количеството и състава на получения газ, както и наличието на летливи мастни киселини, рН, общата алкалност и мириса на изгниващите утайки. Добре е, също така, да се има предвид, че организмите, които участват в разграждането, се нуждаят от различни като състав органични вещества.
За оптимални условия за протичане на ферментационните процеси се считат тези, при които съотношението между въглерода, азота и фосфора е С/N/Р = 100:7:1. Също така се препоръчва концентрацията на летливи мастни киселини да се поддържа около 200 mg/dm3. Голямото количество мастни киселини потиска ферментацията на органичните вещества във втората фаза. Това е така, тъй като при преобладаващ процент на киселата фаза дейността на метановите бактерии се парализира. Затова се счита, че е добре де не се подава голямо количество прясна утайки и да се следи стойността на температурата да не се понижава.

Минералните соли потискат ферментационните процеси
Негативно влияние върху ферментационния процес оказват и минералните соли. При концентрация от 4000 mg/dm3 те също потискат ферментационните процеси. Също така, съдържанието на 50 mg/dm3 нитратен азот води до прекратяването им. Съдържанието на вещества, като ПАВ, съединения на хрома, йони на тежките метали, арсен и други, също пречат на нормалното протичане на изгниването, тъй като унищожават бактериите. Обикновено тези вещества се съдържат в утайки, получени при пречистване на промишлени отпадни води. Поради това се препоръчва тези утайки да се третират по други методи или да се унищожат.
Необходимата влажност на утайките за нормално протичане на процеса е от 90 до 97%. Извън тези граници процесът протича нестабилно.

Температурата е основен фактор
определящ скоростта на протичане на процеса на разграждане. Обикновено повишаването на температурата (до определени граници) води до увеличаване на скоростта на разграждане и на количеството, отделящ се биогаз от 1 kg сухо вещество. Също така, времето за изгниване на органичните вещества намалява. По отношение на повечето биологични процеси могат да се разграничат три температурни обхвата:
l психрофилен обхват - от 0°С до приблизително 20°С;
l мезофилен обхват - от 20°С до 42 - 45°С, както и
l термофилен обхват - от 45°С до над 70°С.
Оптимални за анаеробните процеси са мезофилният и термофилният температурни режими. За момента най-добре познат по отношение на анаеробната ферментация е мезофилният обхват. Всеки температурен режим се характеризира със специфична микробиална биоценоза. При повишаване на температурата над 37°С мезофилните бактерии прекратяват своето съществуване. На тяхно място се развиват топлолюбиви (термофилни) бактерии, за които оптималните условия на развитие са при температура в диапазона от 50 до 60°С. Термофилното изгниване протича два пъти по-бързо от мезофилното при други равни условия, но и разходът на енергия е два пъти по-висок поради необходимостта от поддържане на оптимална за процеса температура.
По-високата температура оказва благоприятно влияние върху времето за изгниване, тъй като го намалява. Принципно разграждането при анаеробни условия се извършва по-бавно в сравнение с характерната за аеробни условия скорост. Например при гниене с температура 20°С за едно денонощие се разграждат 8,4% срещу 20,6% по отношение на биологичната потребност от кислород (БПК).
За да се ускори процесът на изгниване на утайките, могат да се приложат и други методи. Например стимулиране на бактериите с електрически ток или с електромагнитно поле, пастьоризиране на пресните утайки, добавяне на различни стимулатори, хормони, витамини и други. На този етап, част от тези методи все още са в стадий на проучване и изследване.

Съоръжения за анаеробно стабилизиране на утайките
Сред най-широко прилаганите съоръжения за анаеробно стабилизиране на утайките са двуетажните утаители, избистрителите-изгниватели, метантанковете и откритите изгниватели. Двуетажните утаители и избистрителите-изгниватели представляват комбинирани съоръжения, които обикновено са част от комплексните решения, предназначени за механично пречистване на отпадъчните води. За анаеробно разграждане на утайките в по-големи населени места се препоръчва използване на метантанкове и откритите изгниватели.
Всички тези съоръжения могат да се класифицират по различни показатели. Сред най-често използваната квалификация е разделянето им на две основни групи - отоплявани и неотоплявани, в зависимост от температурните условия, при които протича процесът на стабилизирането. Към отопляваните съоръжения се отнасят метантанковете, а към неотопляванети двуетажните утаители и откритите изгниватели. В метантанковете поради допълнителното изкуствено загряване на утайките и минерализирането на органичните вещества процесът протича ускорено, докато изгниването на утайките при естествена температура е сравнително бавен процес.

Изгнивателните съоръжения, често се определят и като
хомогенни и нехомогенни
Към хомогенните се причисляват всички изгниватели, при които влажността и съдържанието на органични вещества в утайките са еднакви във всички точки на изгнивателния обем. Такива съоръжения са метантанковете. В тях утайките се разбъркват непрекъснато. Отделните частици на изгнилите утайки престояват различно време в изгнивателя и следователно имат различна степен на разграждане на органичните вещества.
Към нехомогенните изгниватели спадат изгнивателните камери и двуетажните утаители. Влажността на утайките и съдържанието на органични вещества в тях са различни в различните пластове на изгнивателния обем.
Като цяло капиталовложенията за аеробно стабилизиране, в сравнение с анаеробното изгниване, са по-малки, но процесът е по-енергоемък. В повечето случаи за пречиствателни станции до 1 000 000 m3/d аеробното стабилизиране и анаеробното изгниване са икономически равностойни, а при по-голяма производителност по-изгодно е анаеробното третиране.




ЕКСКЛУЗИВНО

Top