АНАЭРОБНАЯ СТАБИЛИЗАЦИЯ ОСАДКОВ

Метановое сбраживание — один из основных методов обработки осадков городских сточных вод.
Цель — предотвращение загнивания осадков и их обезвреживание. Совокупность превращений органических компонентов осадков при сбраживании, по схеме Бартера, состоит из кислой и щелочной (метановой) стадий. Первую стадию осуществляют кислотообразующие бактерии. Благодаря разнообразию физиологических групп и метабиотическими взаимоотношениям между отдельными видами кислотообразующих бактерий биохимической деструкции подвергаются все компоненты осадков: жиры, белки, углеводы. Под действием разнообразных гадролаз сложные органические составляющие осадков подвергаются внеклеточному гидролизу, превращаясь в соединения, доступные для питания клеток бактерий.
Внутриклеточное окисление продуктов ферментативного гидролиза белков, жиров и углеводов приводит к образованию конечных продуктов первой стадии сбраживания осадков: низших жирных кислот (НЖК), спиртов жирного ряда, аммиака, водорода, диоксида углерода, сероводорода. Более 70% жирных кислот приходится на долю уксусной кислоты, примерно 25% составляют пропионовая и масляная кислоты. Кроме того, в процессе кислого брожения в незначительном количестве образуются муравьиная, валериановая, капроновая кислоты. Очевидно, кроме белков, жиров и углеводов кислотообразующие бактерии могут использовать и другие вещества, способные сбраживаться. К числу таких веществ относятся пурины и пиримидины, есть данные о сбраживании алканов и ароматических углеводородов. Щелочную или метановую стадию брожения осадков городских сточных вод осуществляют метаногенные бактерии, превращающие продукты жизнедеятельности кислотообразующих бактерий в метан. Реакции метанообразования многоступенчаты и протекают с участием разнообразных ферментов и витамина Ви, входящего в метилтрансферазы. Биологическую роль этих реакций — получение клеткой необходимой энергии. Различают реакции двух типов: 1) осуществляемые бактериями, способными использовать уксусную кислоту и метиловый спирт и 2) бактериями, не способными к этому процессу и потребляющими в качестве донора водорода другие соединения. При ферментации уксусной кислоты и метилового спирта по реакции 1-го типа метан образуется в результате восстановления метиловой группы. В реакциях 2-го типа синтез метана происходит путем восстановления диоксида углерода. Многие виды метаногенных бактерий восстанавливают СО₂, используя молекулярный водород.
Примерно 70% метана образуется в реакциях 1-го типа, остальная часть — при восстановлении СО₂. В условиях промышленного метанового брожения сложных субстратов, осуществляемого сообществом разнообразных микроорганизмов, некоторые сапрофитные бактерии, обычно не образующие метан, при совместном развитии начинают его продуцировать, сбраживая сложные органические вещества. Обе стадии брожения протекают синхронно, процесс в целом контролируют метаногенные бактерии. При нормально протекающем процессе брожения образующийся газ состоит из метана (65-70%) и СО₂. Молекулярный водород — продукт первой стадии брожения — может обнаруживаться в очень незначительном количестве, т.к. используется метаногенными бактериями. Сероводород — продукт распада серосодержащих аминокислот — связывается с железом, присутствующим в осадке, с образованием нерастворимого сульфида. Аммиак гадролизуется и остается в растворе. Эффективность процесса сбраживания оценивается по выходу газа с 1 кг загруженного беззольного вещества. Для каждого вида осадка существует теоретический предел сбраживания, зависящий от его состава: содержания в беззольном веществе осадков жиров, белков и углеводов. Теоретически при сбраживании этих веществ выход газа составляет соответственно 0,92; 0,34 и 0,62 кг/кг. Предел сбраживания показывает, какая часть беззольного вещества осадков может перейти в газ. Для осадков городских сточных вод он составляет 45—58%, при этом активный ил, содержащий больше белков и меньше жиров, имеет меньшее значение предела сбраживания. Реальный выход газа, т.е. эффективность процесса сбраживания, зависит от ряда параметров. Существенно влияет на скорость процесса температуpa. В иловых камерах септиков, двухъярусных отстойников, осветлителей-перегнивателей, в которых процесс протекает при естественной температуре, длительность созревания осадка составляет соответственно 160; 60 — 120 и 20 — 130 сут. в зависимости от средней температуры сточных вод. В обогреваемых метантенках продолжительность сбраживания снижается до 5—14 сут. Процесс можно проводить в двух температурных режимах: мезофильном — при 30—35°С и термофильном — при 50—55°С. Во втором случае скорость процесса в 2 раза выше, кроме того, достигается полная гибель яиц гельминтов и патогенных микроорганизмов. При мезофильных температурах степень обеззараживания осадка по содержанию сальмонелл и фекальных колиформ достигает 90%, по яйцам гельминтов 50—80%. В обоих режимах анаэробный ил легче переносит понижение температуры, чем ее повышение за указанные предельные значения. Важный показатель для метаногенных бактерий, имеющих оптимум рН в пределах 6,8—7,5,— реакция среды. Образующийся в процессе брожения СО₂ частично переходит в раствор. Между раствором и газовой фазой устанавливается подвижное равновесие.
При устойчивом процессе брожения содержание СО₂ в газе примерно постоянно (30—35%), и в растворе поддерживается соответствующая концентрация бикарбонатов, определяющая величину щелочности, а следовательно, и значение рН бродящего осадка. Запас щелочности обеспечивает некоторую буферность среды. В случае снижения значения рН, т.е. увеличения концентрации ионов Н+ в среде, равновесие в системе сдвигается влево, что приводит к связыванию водородных ионов. На процесс сбраживания влияет возраст анаэробного ила, т.е. время в сутках, за которое происходит полный обмен активной биомассы метантенка. Биомассу принято оценивать по концентрации беззольного вещества в бродящем осадке. Для поддержания постоянной концентрации активной биомассы необходимо обеспечить равенство скоростей ее прироста и удаления микроорганизмов со сброженным осадком. Т.к. прирост биомассы в анаэробных системах невелик, возраст анаэробного ила должен быть достаточно большим, чтобы предотвратить вымывание микрофлоры из метантенка. Возраст анаэробного ила можно увеличить возвратом части сброженного и предварительно сгущенного осадка в метантенк. Наконец, на процесс брожения осадков городских сточных вод влияют такие токсичные соединения, как катионы тяжелых металлов, растворимые сульфиды, ПАВ, цианиды, фенолы. Резкое изменение любого из перечисленных параметров может привести к нарушению процесса сбраживания и прежде всего сказывается на жизнедеятельности метано-генных бактерий, более требовательных и чувствительных к условиям окружающей среды. При этом нарушается равновесие кислой и метановой стадий брожения, в среде накапливаются метаболиты кислотообразующих бактерий - НЖК. Обычно концентрация НЖК в бродящей массе составляет 300—700 мг/л, а в период нарушений она может достигать 2000—3000 мг/л. Сами НЖК в концентрации до 6000—8000 мг/л не токсичны для метано-генных бактерий, но их накопление выше уровня нейтрализующей способности системы приводит к снижению щелочности, а следовательно, и значения рH.
Процесс анаэробной стабилизации осадков реализуется в одно- и двухступенчатых схемах. Сбраживание по одноступенчатой схеме может осуществляться с рециклом части сброженного сгущенного осадка или без него. Двухступенчатые схемы применяют с целью либо отделения иловой воды и уменьшения объема сброженного осадка, либо интенсификации процесса брожения. В первом варианте необходимо предусматривать возврат иловой воды в начало очистных сооружений, что приводит к повышению нагрузки на них и ухудшает качество очищенной воды. Второй вариант двухступенчатых схем основан на использовании принципиальных физиологических различий кислотообразующих и метаногенных бактерий и проведении каждой стадии брожения в отдельном сооружении. Процесс получил название фазовой сепарации. Процесс анаэробной стабилизации позволяет получить стабильный, незашивающий осадок. Наличие в нем соединений азота, фосфора и калия позволяет использовать осадок в качестве удобрения в сельском хозяйстве. Образующийся биогаз, имеющий теплотворную способность около 21000 кДж/м³ (5000 ккал/м), обычно используют в котлах для поддержания выбранного температурного режима сбраживания. Процесс контролируют по совокупности параметров, важнейшими из которых являются рН, бикарбонатная щелочность, НЖК, количество и состав биогаза.