КАТЕГОРИИ:
АстрономияБиологияГеографияДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника
|
Анаэробная переработка органических отходовПри 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).
|