СБРАЖИВАНИЕ ОСАДКОВ

Сбраживание осадков - процесс перевода органического вещества осадка сточных вод в незагнивающую стабилизированную форму, при этом уменьшается масса осадка вследствие частичного преобразования ,его в биогаз (основную часть которого составляет метан), а также снижаются санитарная зараженность и выделение неприятных запахов при хранении и утилизации осадков. Одним из первых процессов обработки осадков сточных вод, примененным в начале XX века за рубежом и в нашей стране, является анаэробное сбраживание. Разложение органического вещества в ходе этого процесса выполняется сложным комплексом микроорганизмов, составляющих трофическую цепь первичных и вторичных анаэробов, и включает взаимосвязанные стадии: ферментативный гидролиз нерастворенных сложных органических веществ (жиров, белков, углеводов) в более простые растворенные (стадия гидролиза); образование из продуктов стадии гидролиза летучих жирных кислот (уксусной, пропионовой, масляной и др.), аминокислот, спиртов, водорода и диоксида углерода (кислотогенная стадия); превращение продуктов кислото-генной стадии в уксусную кислоту (ацетогенная стадия); образование метана из уксусной кислоты (72%), а также восстановлением диоксида углерода (28%) (метаногенная стадия). Первичные анаэробы осуществляют стадии гидролиза и кислотообразования, вторичные — стадии ацетогенеза и метаногенеза. Для последних питательные к энергетические субстраты образуются за счет деятельности первичных анаэробов на предшествующих стадиях. Помимо трофических связей между группами бактерий метанового брожения имеется и чисто физическая связь. Гидролитическим бактериям необходим тесный контакт с твердым гидролизуемым субстратом, а ацетогенные и метаногенные бактерии наилучшим образом действуют в тесном пространственном симбиозе, разрыв которого, например при интенсивном перемешивании, оказывает отрицательное воздействие на эффективность процесса. Бактерии, работающие на разных стадиях, имеют свои морфологические и физиологические особенности, выражающиеся в разных скоростях роста, чувствительности к температуре, рН, О2 и др. Наиболее чувствительны к условиям среды метановые бактерии — медленно растущие строгие анаэробы. Даже незначительные отклонения от заданного режима эксплуатации в первую очередь влияют на эту группу бактерий, что может привести к нарушению процесса сбраживания.
Сбраживанию в метантенках, как правило, подвергаются смесь осадка первичных отстойников и избыточный активный ил, существенно различающиеся содержанием основных органических (жиров, белков и углеводов) и минеральных компонентов. В активном иле по сравнению с осадком содержится больше белков и меньше жиров и углеводов. Все количество газа, выделяющегося в процессе сбраживания, образуется в результате распада жиров, углеводов и белков, составляющих 65—80% органического вещества осадкой. Остальные 35—20% в газообразовании не участвуют. Удельный выход газа при сбраживании жиров в 1,5 раза выше, чем при сбраживании углеводов и белков и соответственно составляет 1,25; 0,79 и 0,7 м3/кг. При сбраживании осадков, содержащих больше жиров (осадок первичных отстойников), образуется большее количество биогаза, чем при сбраживании осадков, содержащих больше белков (активный ил) или углеводов (навоз, растительные отходы). Каждый осадок имеет биоразлагаемую часть или практический предел сбраживания, характеризуемый максимальным выходом биогаза, который зависит от химического состава осадка и достигаемой степени распада органических веществ. Предел сбраживания соответствует для органического вещества осадков 50—60%, избыточного активного ила — 42—45%. Стабилизированные являются осадки, степень сбраживания которых в метантенке составляет ~ 90% предела сбраживания. Отношение содержания углерода к азоту (CN) в таких осадках должно составлять 10—12 по сравнению с 16—19 в несброженных осадках. Для хорошо сброженных осадков характерна бикарбонатная щелочность 2500 мг/л по СаСО3 ( 50 мг-экв/л), содержание летучих жирных кислот 200 мг/л по СН3СООН (~3,3 мг-экв/л). Основными технологическими параметрами, определяющими эффективность процесса сбраживания осадков (степень распада органического вещества и выход биогаза), являются температуpa, продолжительность пребывания осадка в метантенке, нагрузка по органическому веществу, концентрация загружаемого осадка, режим загрузки и перемешивания. Сбраживание осадков обычно осуществляют в мезофильной (33—35°С), термофильной (53—55 С) или психрофильной (15—17 С) зонах. В процессе сбраживания микроорганизмы адаптируются к температурному режиму.
Кратковременное нарушение его, особенно в сторону уменьшения температуры, приводит к торможению стадии метаногенеза из-за высокой чувствительных метаногенных бактерий, накоплению продуктов гидролиза, нарушению трофических связей в микробном сообществе и процесса сбраживания в целом. С уменьшением продолжительности сбраживания осадков, то есть с повышением дозы загрузки, выход газа с единицы массы органического вещества снижается при всех температурных режимах, однако при термофильном режиме за счет более высокой скорости процесса это снижение происходит медленнее, чем при мезофильном. Обычно метантенки эксплуатируют с дозами загрузки 5—8% в мезофильном режиме (время пребывания 20—12 суток) и 15—18% в термофильном (7—6 суток).
Биогаз, образующийся при сбраживании осадков городских сточных вод, в основном состоит из метана — 65—70% и диоксида углерода — 25—30%. Биогаз используют в качестве топлива в технологических котельных очистных сооружений, в двигателях генераторов электрической и тепловой энергии, для наполнения газовых баллонов автомобильного транспорта, тракторов и др.