Анаэробные биологические методы очистки моносточных вод:

Markus Engelhart, Enviro-Chemie GmbH

Введение

Анаэробные биологические методы очистки применяются в различных отраслях промышленности для очистки сточных вод, загрязненных органическими соединениями. Эти методы привлекательны для потребителей тем, что в процессе очистки сточных вод от органических загрязнений, что выражается в уменьшении концентрации ХПК, в качестве конечного продукта образуется биогаз, который можно сжигать, получая либо тепло, либо электричество. Кроме того, при использовании анаэробных методов не образуется большого количества избыточного активного ила. Фирма Enviro-Chemie GmbH является специалистом в области промышленной техники очистки сточных вод. Она проектирует и строит анаэробные очистные сооружения для очистки сточных вод в различных отраслях промышленности, в том числе и в пищевой. Особенную трудность для инженеров и технологов с точки зрения очистки представляют прежде всего сточные воды, имеющие однородный состав (загрязненные, например, в основном жирами ) - так называемые моносточные воды. В этом случае при проектировании очистных сооружений необходимо учитывать условия разложения микроорганизмами основного органического компонента, что и должно быть заложено в основу технологического процесса с целью достижения максимальной эффективности очистки при минимуме инвестиционных затрат.

Что является основой анаэробной очистки моносточных вод

При анаэробном преобразовании органических субстратов в метан под воздействием микроорганизмов (бактерии, анаэробный ил) должны быть последовательно реализованы 4 стадии разложения. Отдельные группы органических загрязнений (углеводы, протеины, липиды/ жиры) в процессе гидролиза преобразуются сначала в соответствующие мономеры (сахара, аминокислоты, жирные кислоты). Далее эти мономеры в ходе ферментативного разложения (ацитогенеза) преобразуются в короткоцепочечные органические кислоты, спирты и альдегиды, которые затем окисляются дальше в уксусную кислоту, что связано с получением водорода. Только после этого доходит очередь до образования метана на этапе метаногенеза (ср. рисунок 1). В качестве побочного продукта наряду с метаном образуется также и углекислый газ (CO2).

Все процессы преобразования тесно взаимосвязаны друг с другом и должны протекать в емкости анаэробного реактора в строго установленном порядке, т.к. любое нарушение одного из промежуточных этапов приводит к нарушению всего процесса. Поэтому требуется точное проектирование очистных сооружений и их настройка на соответствующую сточную воду.

Для сточных вод с однородным составом на практике осуществляются далеко не все возможные реакции разложения. На так называемом адаптивном этапе осуществляется выбор определенного пути разложения органических веществ в результате жизнедеятельности соответствующих микроорганизмов.

Рисунок 1: Этапы разложения анаэробного преобразования

В зависимости от того, какой класс органических веществ преобладает в сточной воде, меняется состав биогаза и доля метана в нем (см. таблицу 1). Углеводы в большинстве случаев разлагаются легко, однако они дают сравнительно меньшую долю метана. При разложении жиров и масел образуется большее количество биогаза с высоким содержанием в нем метана, однако, разлагаются они очень медленно. Кроме того, жирные кислоты, образующиеся как побочные продукты при разложении жиров и масел, могут препятствовать всему процессу разложения.

Таблица 1: Выход биогаза и доля метана в нем в зависимости от класса веществ

Класс веществ	Выход биогаза [нл/г субстрат]	Доля метана [%]
Углеводы	0,83	50
Белки	0,72	71
Жиры/Масла	1,43	70

Из данной таблицы следует, что для каждого типа моносточных вод очистные сооружения должны быть спроектированы индивидуально. Поэтому этапу проектирования и строительства очистных сооружений должен предшествовать определенный исследовательский этап, включающий в себя точный анализ сточной воды и опыты с оригинальной сточной водой, в процессе проведения которых определяются оптимальные условия разложения органических загрязнений, находящихся в сточной воде.

Как нужно действовать

В процессе проектирования анаэробных очистных сооружений для сточной воды, состав загрязнений которой недостаточно известен, а также неизвестно насколько легко разлагаются эти загрязнения биологическим путем. нужно действовать следующим образом:

• Контроль производственного процесса
  Совместно с сотрудниками промышленного предприятия нужно выявить источники загрязнения сточной воды на производстве. При анализе производственных процессов могут быть выявлены специфичные загрязнения сточной воды.

• Анализ особых примесей
  Для выявления степени загрязнения определяется концентрация химического потребления кислорода (ХПК). Если на основании производственного процесса уже заранее известны определенные примеси, то нужно отдельно определить их концентрацию в сточной воде. Помимо этого анализируется наличие питательных веществ (азот, фосфор) и микроэлементов в сточной воде для расчета потребности анаэробного активного ила в питательных веществах. Нужно знать также концентрацию токсичных для микроорганизмов веществ таких, как, например, тяжелых металлов или дезинфицирующих веществ.

• Расчет параметров очистных сооружений с помощью лабораторных опытов и пилотных установок
  Для получения точных параметров очистных сооружений во время лабораторных/пилотных опытов дополнительно проверяется степень очистки усредненных проб сточных вод. В зависимости от продолжительности этапа адаптации подобные опыты могут длиться от нескольких недель до нескольких месяцев. Однако они помогают сэкономить затраты на расчеты и строительство анаэробных очистных сооружений.

Результатом завершения этих предварительных исследований должна стать обширная исходная база для расчета параметров сооружений по очистке моносточных вод.

Примеры
Фирма Enviro-Chemie GmbH реализовала несколько анаэробных реакторов для очистки моносточных вод, образующихся в пищевой и перерабатывающей промышленности на действующем производстве. Двое таких очистных сооружений представлены далее как примеры успешного осуществления проектов.

Пример 1: Сточная вода промышленного предприятия по производству жирных кислот из растительных масел

В процессе производства растительные масла расщепляются под действием высокого давления и температуры (ср. рисунок 2). Образующиеся при этом жирные кислоты отделяются от глицерина и разделяются на фракции путем дистилляции и ректификации. Разделенные на фракции продукты продаются для изготовления поверхностно-активных веществ.

Рисунок 2: Продукты расщепления липидов

При замене исходного сырья и промывке оборудования в сточную воду попадают остатки масел и продукты их расщепления. Таким образом для сточной воды характерны высокие и колеблющиеся концентрации ХПК вплоть до максимального значения 100.000 мг ХПК/л. Сточная вода первоначально проходит через жироловку, где улавливаются нерастворенные остатки технологического сырья. В ходе проведенных анализов был установлен ярко выраженный недостаток питательных веществ. Способность к биологическому разложению органических примесей в сточной воде была оценена в принципе как хорошая, однако, в ходе лабораторного опыта при высоких концентрациях реактора произошло подавление процесса образования метана и повысилась концентрация ацетата и пропионата (органических кислот, как промежуточных продуктов ацидогенеза). Во избежание этих помех при расчете параметров промышленных очистных сооружений было установлено ограничение максимальной нагрузки на единицу объема. Для поддержки процесса очистки в реактор дозируются питательные вещества и микроэлементы.

Фото 3: Анаэробные очистные сооружения для химической промышленности

Метанреактор представляет собой реактор с частично неподвижным слоем, который оборудован дополнительным внешним отстойником со скребком для обратной подачи анаэробного ила в метанреактор. Для осуществления контроля за ходом процесса разложения органики ежедневно проводятся анализы концентрации ацетата и пропионата в анаэробном реакторе, а также поддержание баланса биогаза. На фото 3 представлены промышленные очистные сооружения.

Метанреактор имеет объем ок. 1000 м?. На левой фотографии на переднем плане показаны производственное здание, накопитель избыточного активного ила (цилиндрический) и отстойник (прямоугольное здание с изоляционным кожухом). На правой фотографии на заднем плане - дистилляционная колонна перерабатывающего предприятия.

Пример 2: Сточная вода пищевой промышленности с высоким содержанием сахарозаменителей

При производстве продуктов пищевой и вкусовой промышленности, не содержащих сахара, например, производство жевательной резинки, образуется сточная вода, загрязненная большим количеством сахарозаменителей (сахарные спирты, аспартам). В процессе обследования одного из таких предприятий специалисты Enviro-Chemie установили, что в сточной воде находятся также и ароматические вещества, такие как ментол.

Рисунок 4: слева - манит, как пример сахарозаменителя / сахарного спирта
справа - ментол как пример ароматического вещества.

Поскольку опыт биологического разложения сахарозаменителей отсутствует, а ментол в высоких концентрациях имеет дезинфицирующее действие, в предварительных опытах были исследованы возможности биологического разложения органических загрязнений сточной воды. При этом выяснилось, что полного анаэробного разложения не происходит. Ситуация осложнялась еще и тем, что из-за отсутствия достаточной буферной емкости потребовалось добавление щелочи для стабилизации значения pH в анаэробном реакторе. Кроме того потребовалось дозирование питательных растворов. В процессе дальнейших исследований была успешно проведена аэробная биологическая доочистка предварительно обработанной сточной воды с целью достижения требуемого Заказчиком качества очистки сточных вод.

На основании результатов предварительных исследований была реализована в производственном масштабе схема очистки, представленная на рисунке 5.

Рисунок 5: Комбинированная анаэробная / аэробная биологическая очистительная установка

Для накопления и усреднения залповых сбросов используется усреднитель. За метанреактором следует один из аэробных реакторов биологической очистки. Питательные вещества подаются по потребности в готовом растворе "Enviplus". Регулирование значения pH осуществляется путем добавления щелочи натрия.

Фото 6: Биологические анаэробно-аэробные очистные сооружения на одном из заводов по производству жевательной резинки

Резюме

Для успешной реализации промышленных анаэробных очистных сооружений для очистки моносточных вод необходим точный анализ сточной воды и продукции промышленного предприятия. Предварительные лабораторные и пилотные исследования дают критерии для расчета параметров системы очистки и исключают излишние затраты на этапе проектирования и строительства очистных сооружений. Для каждого типа сточных вод должны быть разработаны индивидуальные решения, обеспечивающие стабильную работу очистных сооружений.