Студопедия

КАТЕГОРИИ:

АстрономияБиологияГеографияДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника


Анаэробная переработка органических отходов




При анаэробном сбраживании органические вещества разлагаются в отсутствие кислорода. Наибольшая производительность достигается при термофильном метановом брожении. Особенность метанового консорциума позволяет сделать процесс брожения непрерывным (Теплосоюз Украина, 2007-2009).

Процесс анаэробного сбраживании органического вещества в био­реакторах осуществляется с помощью сложной ассоциации микроорганизмов. Их соотношения и взаимодействия обусловливают стабильность данного процесса. Для нормального протекания процесса, прежде всего, необходимы оптимальные условия жизнедея­тельности микроорганизмов. На создание этих условий влияют следующие факторы: свойства сырья, температура сырья и процесса, концен­трация питательных веществ, рН среды, анаэробные условия, про­должительность сбраживания, наличие ингибиторов и катализато­ров процесса и др.

Свойства сырья оказывают значительное влияние, как на процесс сбраживания, так и на выход биогаза. К таким свойствам сырья относятся: содержание и состав органического вещества, наличие питательных элементов, свежесть, содержание твердых частиц и др.

От пропорций углеводов, жиров и белков в отходах зависит выход биогаза в конкретном случае. Углеводы обычно находятся в форме полисахаридов и должны распадаться на дисахариды и моносахариды. Для этого требуется более продолжительная фер­ментация. Заметно снижает газовыделение присутствие лигнина, так как он в процессе метанового брожения практически не разлагается (Бекер и др., 1984; Баадер и др., 1982; Хаммер, 1979.). Соотношение содержания углерода и азота (далее - С : N) является одним из наиболее важных факторов, оказывающих влияние на интенсивность биодеструкции отходов.

Если соотношение С:N в отходе чрезмерно велико, то недо­статок азота будет служить фактором, ограничивающим процесс метанового брожения. Если указанное соотношение чрезмерно мало, то образуется такое большое количество аммиака, что он становится токсичным для микроорганизмов. В качестве критерия интенсивности разложения органических отходов принята продукция биогаза.

Органические отходы, т.е. исходное сырье для метанового бро­жения имеют разные соотношения С:N и отличаются большим разнообразием, нередко они бывают не оптимальными для про­цесса (Дубровский и Виестур, 1986).

Содержание твердых частиц является предпосылкой для высокой активности метанобразующей реакции. Но это осуществимо в том случае, когда вязкость субстрата до­пускает свободную подвижность бактерий и газовых пузырей между жидкостью и суспендированными твердыми веществами. Твердые вещества, плотность которых существенно выше плотности жидкости, как, например, песок, цемент, глина и др., обусловливают образование осадка, другие материалы флотируют и образуют на поверхности корку. Это приводит к уменьшению газообразования. Поэтому твердые материалы, особенно растительного происхождения, должны быть предварительно подготовлены с помощью режущих, разрывающих или плющильных устройств. Частицы твердого материала должны быть по воз­можности меньшего размера. Доля взвешенных в жидкости твер­дых частиц в значительной мере зависит от технических средств, которыми пользуются для транспортирования и перемешивания субстрата.

Существуют технологии, предусматривающие сбраживание органического вещества также и в твердой фазе, если имеется достаточно влажная среда. Однако они до настоящего времени не получили широкого распространения, поскольку в твердой фазе трудно обеспечить перераспределение и взаимное перемешивание микроорганизмов и субстрата. В то же время высокая влажность (более 97%) приводит к низкой концентрации органического вещества и меньшему газовыделению. Исключительное значение имеет влажность загружаемого в биореактор сырья, с точки зрения экономичности его эксплуата­ции. Чем ниже влажность сырья, тем меньше загрузка по объему и расход энергии на подогрев сырья, а также покрытие теплопотерь биореактора в окружающую среду. Однако следует иметь в виду, что с понижением влажности сырья увеличивается содержание органического вещества в еди­нице объема загрузки. При высоких суточных дозах загрузки по объему это может привести к нарушению хода процесса метано­вого брожения (Дубровский, Виестур, 1986).

Температура — один из важнейших факторов процесса биодеструкции органических отходов. В природе метан образуется при широком диапазоне темпера­тур — от 0 до 97°С, например в ледниках — при 0°С, осад­ках водоемов и в болотах — при 4—15°С, желудках — 39°С, го­рячих ключах — 97°С. Обычно выделяют три температурные зоны жизнедеятельности микроорганизмов: психрофильная, мезофильная и термофильная. Их граница зон следующие: психрофильная зона — до 20°С, мезофильная — 20—40°С, термофильная — 50—60°С. При­нято, что в каждой зоне брожение осуществляет своя специфи­ческая ассоциация микроорганизмов (Янко и Янко, 1978).

В последнее время появились сообщения о более широком использовании тер­мофильного процесса, так как он обусловливает более высокую скорость распада органического вещества, более высокую продук­цию биогаза и наименее вреден для окружающей среды (Бекер и др., 1984.; Рябова, 1974., Синяк, Авизов, 1984.)

Метаногенные организмы крайне чувствительны к рН среды. Наиболее оптимальная кислотность для процесса анаэробной биодеструкции – 6,8-7,5 ед.

Продолжительность сбраживания в большой мере зависит от дозы загрузки и температуры процесса. При определении продолжи­тельности сбраживания пользуются термином время оборота биореактора (ВОБ). ВОБ — это время, в течение которого в биоре­актор загружают свежее сырье и выгружают из него переброженное сырье, равное объему сырья в биореакторе. В идеальном случае за это время загруженное сырье полностью заменяет переброженное. В приблизительных расчетах часто пользуются следую­щей формулой:

ВОБ = Осб/Озс

гдеОсб — объем сырья в биореакторе,

Озс — объем загружаемого сырья в сутки

Однако, как известно, в процессе метанового брожения выде­ляется биогаз и, следовательно, объем сырья в биореакторе не­сколько уменьшается, поэтому ежесуточно в биореактор на эту величину загружается сырья больше, чем выгружается.

При выборе оптимального ВОБ в целях оптимизации процесса крайне важно, чтобы суточная убыль микроорганизмов при вы­грузке из биореактора переработанного сырья не превышала су­точного прироста микрофлоры.

На процесс метанового брожения органического вещества влияет применение или отсутствие перемешивания и интенсивность его. Применение процесса перемешивания в биореакторе позволяет:

1) поддерживать однородность распределения загружаемого сырья и постоянный контакт его с микроорганизмами, что дает возможность максимально утилизировать свежие питательные ве­щества;

2) сохранять на низком уровне концентрацию продуктов рас­пада, так как они равномерно распределяются по всему объему;

3) обеспечивать однородность среды как по температуре, так и по концентрации питательных элементов, что создает наилучшие условия жизнедеятельности бак те р и й;

4) устранять концентрацию ингибирующих веществ и какой-то отдельной зоне биореактора, что ограничивает их влияние на про­цесс метанового брожения;

5) предотвратить образование корки или разбивание ее на по­верхности. а также образование неподвижного густого осадка на дне;

6) уменьшать количество участков в биореакторе, в которых могут содержаться неподвижные участки и от­работанная жидкость (Дубровский, Виестур, 1986)

На процесс метанового сбраживания влияет ряд веществ, причем некоторые из них могут оказывать ингибирующее действие. Лю­бое вещество может токсически воздействовать на микроорга­низмы, если оно находится в растворенном состоянии. Если ве­щество не находится в растворе, оно не может проходить сквозь стенки клетки и, следовательно, не может влиять на микроорга­низмы. Имеется много ор­ганических веществ, которые в растворенном состоянии могут проявлять либо стимулирующее действие, либо токсичное. Напри­мер, азот аммиака в концентрациях 50—200 мг/л влияет положи­тельно па процесс метанового брожения, а в концентрациях 200— 1000 мг/л — не оказывает определенного влияния и при более высоких концентрациях является ингибитором процесса.

Если концентрация белков в сырье для переработки в биореакторах высокая, то может наблюдаться высокая концентрация аммиака. Аммиак может находиться в двух формах — в виде иона аммония NН4+ или в виде газа NH3. Обе формы всегда находятся в равновесии, их соотношение зависит от рН среды. Если рН ра­вен или меньше 7,2, то равновесие сдвинуто в сторону образова­ния иона аммония и возможно ингибирование процесса при доста­точно высоких его концентрациях. При рН более 7,2 реакция сдвинута в сторону образования газа, который токсичен даже при низких концентрациях. Обычно сведения о токсичности азота ам­миака основаны на общей его концентрации. Различные иссле­дователи называют разные кон­центрации, при которых начинает проявляться ингибирующее дейст­вие.

Процесс метанового брожения может быть ингибирован также высокой концентрацией тяжелых, щелочных, щелочноземельных металлов, сульфидов, кислорода, антибиотиков, дезинфицирующих средств.

Токсичность тяжелых металлов часто рассматривается как при­чина многих нарушений процесса метанового брожения при очистке сточных вод. Возможность опасной концентрации их в сельскохозяйственных отходах меньше, однако, в животноводстве корма содержат некоторые количества этих элементов. Для мак­симального развития микроорганизмов необходимы лишь следо­вые количества большинства тяжелых металлов. Тяжелые металлы способны осаждаться на частицах осадка, поэтому даже при их низкой концентрации в загружаемом сырье они могут сконцентри­роваться до степени, достаточной для поддержания процесса. Токсичность тяжелых металлов (за исключением хрома) может быть предотвращена или исключена осаждением их в виде сульфидов. Использование осаждения тяже­лых металлов в виде сульфидов для их удаления обусловлено практически полной нерастворимостью сульфидов тяжелых ме­таллов.

В качестве источника сульфидов рекомендуется использовать FeS04. Сульфиды будут образовываться при биологическом восстановлении сульфатов, и выводиться из раствора ионами же­леза.

Растворенные сульфиды в концентрации более 200 мг/л обла­дают токсичным действием на процесс метанового брожения. Концентрация растворенных сульфидов внутри метантенка является функцией исходного источника серы, рH, скорости образования газа и количества тяжелых металлов; все эти факторы находятся в сложном взаимодействии. Высокая концентрация растворенных сульфидов может быть снижена путем добавления солей железа.

Уже при небольших концентрациях ингибирующее действие оказывают также соединения ССl4, СHСl2, CH2С12 и CN-, такие соединения, как формальдегид, S02 и H2S, становятся токсичными при более высокой их концентрации.

Принято, что одним из основных условий эффективной эксплуа­тации биореакторов является исключение возможности доступа в них кислорода, так как, оказавшись в среде, содержащей кисло­род в концентрациях выше 0,1% (Бекер и др, 1984.), метанобразующие бакте­рии быстро утрачивают свою жизнеспособность. На практике со­блюдать такие строго анаэробные условия сложно. Имеются сооб­щения, что небольшие количества воздуха (1% от объема шлама) в биореакторе не оказывают отрицательного воздействия на процесс метанового брожения (Дубровский, Виестур, 1988).

Основные требования к условиям анаэробной деструкции отходов представлены на рис. 1.1.

Биологическое разложение сложных органических соединений происходит в течение нескольких фаз, следующих друг за другом, в результате воздействия различных групп микроорганизмов. В это время постоянно образуются и разлагаются различные промежуточные продукты. Укрупненно выделяют четыре основные стадии процесса анаэробного разложения органических веществ (рис. 1.2.) (www.enviro-chemie.ru).

Все эти компоненты перерабатываются в биогаз в результате реакций, имеющих сходные стадии, хотя и протекающих с различной эффективностью.

 

Рис. 1.1. Требования к условиям анаэробной деструкции отходов

Стадия 1. Гидролиз. Длинные цепные молекулы, находящиеся во взвешенном состоянии, посредством гидролиза перерабатываются в более мелкие растворенные молекулы. Пример, иллюстрирующий этот процесс, - гидролиз крахмала в глюкозу. Белки посредством гидролиза перерабатываются в аминокислоты, а жиры — в глицерин и жирные кислоты. Процесс гидролиза катализируется ферментами, выделяемыми бактериями на второй стадии.

Стадия 2. Кислотообразование. Особые бактерии перерабатывают продукты гидролиза в летучие жирные кислоты (ЛЖК), которые в основном состоят из уксусной, пропионовой и масляной кислот. В качестве примера приведем реакцию преобразования глюкозы в уксусную кислоту (которая высвобождает молекулярный водород, растворенный H2) и пропионовую кислоту (которая потребляет H2). Образование масляной кислоты также высвобождает растворенный H2. Относительные концентрации трех кислот в метантенке прежде всего зависят от химического состава исходного осадка. Помимо образования ЛЖК, на этой стадии при разложении белков высвобождается растворенный аммиак (NH3). Эта реакция очень важна, так как аммиак стабилизирует уровень рН, нейтрализуя действие ЛЖК:

C6H12O6 + 2H2O→2CH3COOH + 2CO2 + 4H2,

2C6H12O6 + 4H2→4CH3CH2COOH + 4H2O.

Рис. 1.2. Схема анаэробного процесса

Стадия 3. Ацетогенез. Ацетатогенные бактерии перерабатывают пропионовую и масляную кислоту в уксусную кислоту, высвобождая больше H2 (Мослей и Фернандеса, 1984). Поэтому интенсивность этой реакции зависит от метаногенезиса (четвертая стадия), которая обеспечивает удаление водорода.

 

CH3CH2OOH + 2H2O→CH3COOH + CO2 + 3H2,

CH3C2H4OOH + 2H2O→2CH3COOH + 2H2.

Стадия 4. Метаногенез. Происходят две основные реакции метаногенезиса. Метаногенные бактерии преобразовывают уксусную кислоту в метан и диоксид углерода, а бактерии, использующие водород, перерабатывают водород и углекислоту в метан и воду. Из всех реакций, наблюдаемых в процессе, эти наиболее чувствительны к присутствию токсинов в осадке и изменению рН.

CH3COOH→CH4 + CO2,

4H2 + CO2→CH4 + 2H2O.

Реакции на стадиях 1–4 вызывают небольшое повышение рН осадков сточных вод, т.к. высвобождается аммиак и другие катионы, такие как кальций из распадающихся твердых веществ. Обычно у осадка, уровень рН колеблется от 6,7 до 7,6, что является благоприятным условием для метаногенеза.

Однако, т.к. все реакции протекают одновременно в одном реакторе, стоит отметить, что условие соответствия величины рН 7–7,5, благоприятствующей процессу метаногенеза (стадия 4), затрудняет гидролиз (стадия 1), для которого уровень рН должен составлять 5,0–6,0, когда сумма концентраций ионов H+ и OH, основных веществ, участвующих в реакции, значительно больше. Скорость протекания гидролиза значительно снижается (Хойлэнд, 2007).


Поделиться:

Дата добавления: 2015-08-05; просмотров: 463; Мы поможем в написании вашей работы!; Нарушение авторских прав





lektsii.com - Лекции.Ком - 2014-2024 год. (0.008 сек.) Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав
Главная страница Случайная страница Контакты