Экологические аспекты современной биотехнологии (стр. 8 из 10)

Для накопления в среде ацетата в начале процесса устанавливают небольшие скорости загрузки биореактора, чтобы создать условия для утилизации и трансформации всех высших жирных кислот. Кроме того, в среде должны быть ионы кальция, которые способствуют флокуляции. При таких условиях в нижней части биореактора постепенно накапливаются гранулы величиной 0,5— 2,5 мм с хорошими седиментационными свойствами. В реакторе не должно быть механического перемешивания, чтобы не деформировать и не разрушить гранулы. В верхней части биореактора необходимо устанавливать сепарационное устройство, в котором гранулы отделяются от жидкой фазы и возвращаются в нижнюю часть аппарата. Кроме того, в сепарационном устройстве отделяется также газовая фаза. По такому же принципу созданы и эффективно работают биореакторы с верхним вводом потока и с толстым слоем шлама (биореактор UASB — UpflowAnaerobicSludgeBlanketReactor).

Схема такого биореактора приведена в табл. 10. В нижней части биореактора в слое высотой 1,5—2,5 м концентрация биомассы достигает 50—100 кг/м³; над этим слоем концентрация биомассы 5—20 кг/м³. В оптимальных условиях биореактор обеспечивает суточную загрузку ХПК до 15 кг/м³, полная замена субстрата происходит за 4 ч при степени очистки 70—90 %.

Таблица 10. Системы анаэробной очистки сточных вод

Биореактор

Принцип действия и конструкция

Схема

Анаэробные лагуны Система отстойников, в Стони

которых стоки пребыва-IБиогаз Виозоз

ют от нескольких недель.T_i_i_i_ __ tM_1Т,{]'илц?н-

7777Z

до 2 мес. газы свободно г..ъныеамю

выделяются в атмосферу

Продолжение

Биореактор	Принцип действия и конструкция	Схема
Двухступенчатый биореактор	Ферментационное пространство разделено на две части: в первой реализуется процесс биодеградации субстрата и ки- /-_. слотообразования, а во —	Виагаз
		^_1
		Нисяояю-7ки образоВа-	qj Метано- 5 генез s Hi з
		1 са

Для анаэробного брожения стоков применяют различные биореакторы очень больших объемов, изготовленные из металла или железобетона, в виде вертикальных и горизонтальных цилиндров или прямоугольных резервуаров. В Китае, Индии и некоторых других странах Азии успешно используют небольшие биореакторы объемом до 10 м³ очень простой конструкции для утилизации отходов домашнего хозяйства. Количество таких биореакторов составляет более 10 млн. В развитых странах построено множество крупных биогазовых установок для очистки стоков промышленных предприятий и отходов ферм. Метановое брожение традиционно применяют при очистке городских стоков, для утилизации активного ила после аэробной ферментации.

В последнее время анаэробное метановое брожение применяют для детоксикации стоков. Установлено, что анаэробные бактерии деградируют не только углеводы, липиды, протеины, нуклеиновые кислоты, но и многие соединения нефтехимической промышленности, например бензольную кислоту.

4 С₆Н₅СООН + 18 Н₂0 - 15 СН₄+ 13 СО₂.

Адаптированные ассоциации анаэробов деградируют ацетальдегид, ацетон, бутанол, этилацетат, этилакрилат, глицерол, нитробензол, фенол, пропанол, пропиленгликоль, кретоновую, фумаровую и валериановую кислоты, винилацетат, парафины, синтетические полимеры и многие другие вещества и продукты.

Метановое брожение должно рассматриваться не только как средство защиты окружающей среды, но и как метод получения газообразного топлива, ценных органических удобрений и даже кормовых добавок. Так, в начале 60-х годов Институтом биохимии им. А. Н. Баха при участии Института микробиологии им. А. Кирхенштейна Латвии был создан метод получения концентрата витамина В₁₂ путем метанового сбраживания мелассной барды спиртового производства. Витамин B12 содержится в биомассе бактерий метанового брожения.

В разделе об аэробных системах очистки стоков уже говорилось, что в городах, где за 1 сут сбрасывается 550 тыс. м³ стоков, успешно работают комбинированные системы, состоящие из 27 аэротенков объемов 39 000 м³ и 6 метантенков объемом 6500 м³ каждый. Метантенки работают в мезофильном режиме, длительность замены субстрата 17 сут. После метанового брожения биомасса отделяется и высушивается с использованием энергии биогаза. Сухой продукт, получаемый в количестве 280 т/сут, служит удобрением.

Финской фирмой «Тампелла» предложена рациональная система очистки стоков пищевых и бумажных заводов. Биореактор «Таман» сконструирован с учетом возможности реализации двухстадийного процесса (кислая и метаногенная стадии), причем на метаногенной стадии применяется гранулооб-разный шлам. Интенсификация метанообразования обеспечивается в результате выноса из зоны метаногенеза свежего субстрата с важными ингибиторами, а также наличия во второй зоне большой биомассы метанобразующих бактерий. Обе зоны могут быть размещены в одном вертикальном цилиндре, разделенном горизонтальной перегородкой на верхнюю зону объемом 300 м³ и нижнюю — 350 м . На молочном заводе, перерабатывающем за год 63 млн л молока и производящем 3000 т сыра, 2 тыс. т сливочного масла, 1,2 млн т мороженого и 17 млн л товарного молока, система очистки «Таман» обеспечивает хорошую очистку стоков.

Количество перерабатываемых стоков, м³/сут500

ХПК, т/сут1,3

БПКл, т/сут0,6

Взвешенные вещества, т/сут1,1

Температура, °С20

Редукция по БПКт, %> 80

Содержание метана в биогазе,% 70—74

На одном из заводов о/о «Алко» и бумажной фабрики в г. Аньяле (Финляндия) фирма «Тампелла» разработала систему очистки стоков, состоящую из анаэробной и аэробной частей. Завод производит крахмал, этанол и различные корма и за год перерабатывает около 140 тыс. т ячменя. Стоки завода сначала обрабатываются в нейтрализаторе, затем последовательно проходят усреднитель, две стадии метанового брожения, аэротенк и вторичный отстойник. Общая емкость метантенков 1350 м³, суточная производительность по стокам 2000 м³, в которых ХПК равен 10 т, БПКг — 6,7 т, количество взвешенных веществ 1 т. Процесс идет при мезофильном режиме (35— 40 °С), степень редукции по ВПК 95 %.

Метановое сбраживание отходов

Первые опыты в СССР по метановому сбраживанию жидких отходов были начаты в Латвии в специально сконструированном реакторе объёмом по 75 м³. Внутри реактора имеются перегородки, обеспечивающие лабиринтное движение субстрата и устраняющие случайный прямолинейный проход частиц навоза в аппарате. Режим работы термофильный (54 °С), средняя суточная замена субстрата в биореакторе 20 %. Навозные стоки загружают в емкость для свежего навоза, далее насосом — в емкость для предварительного нагрева, а затем перекачивают в биореактор.

Биогаз собирался в верхней части биореактора и в газгольдере, а оттуда по трубопроводу направляется в котел для сжигания в инжекционных горелках низкого давления. Подогретая в котле теплая вода поступает в бойлер, откуда часть расходуется для поддержания температуры в биореакторе, а часть направляется на обогрев помещений для животных. Сброженный субстрат вытесняется из биореактора н трактором вывозится для удобрения полей. Средний состав жидкого удобрения (в%): сухое вещество— 1,0—5,0, органические вещества — 0,25—4,2, фосфор — 0,05—0,7, азот —0,31 —1,14, рН 6,5—8,3. Жидкое органическое удобрение после метанового брожения проверено в опытных и полевых условиях. При этом доказано его высокое качество, особенно для поливки полей с многолетними травами. В этом случае урожай зеленой массы удваивается. Средние данные за 12 мес эксплуатации этой установки в совхозе «Огре» приведены ниже (В. С. Дубровские, 1987).

Выход биогаза с 1 м³ рабочего объема биореакто-2,55

ра, м³/сут

Выход биогаза из 1 кг сухого органического вешест- 0,448

ва, м³/сут

Содержание метана в биогазе, %64,8

Средняя загрузка органического вещества на 1 м³5,69

рабочего объема реактора, кг/сут

Среднее выделение метана с 1 м³ рабочего объема1,65

биореактора, м³/сут

Максимальное выделение метана с 1 м^л рабочего3,93

объема биореактора, м³/сут

Четырехлетний опыт работы этой установки показал перспективность термофильного метанового сбраживания отходов ферм, как экономически и экологически оправданного способа обезвреживания навоза. До 50 % энергии, полученной с биогазом, можно использовать в животноводческих комплексах, остальное количество расходуется на поддержание процесса.

На крупных животноводческих комплексах ферментирован-

ный навоз фракционируют. Жидкую фракцию целесообразно дополнительно обрабатывать и рециркулировать, а твердую - - использовать в качестве высококачественного органического удобрения.

Рис.8. Динамика образования газов на свалках в массе мусора: 1 — метан, 2 — диоксид углерода, 3— азот 4 — кислород, фазы: / — аэробная, // -- анаэробная, не образующая метана, /// — нарастающая анаэробная, метанобразующая, IV - стационарная анаэробная, метанобразующая

Своеобразными компос-тами являются городские свалки. Толщина слоя мусора на городских свалках достигает 10 и даже 20 м. В городских отходах содержатся различные органические вещества,