Сыворотка

Все типы аэротенков, которые относят к вытеснителям и действительное мало отличаются от вытеснителей, так как рециркуляция биомассы в голову приводит к приближению структуры потока к идеальному смешению. Чем выше расход рециркулируемой жидкости, тем в большей степени аэротенк приближается к реактору-смесителю.

В последнее время получили распространение аэротенкн-отстойники (рис. 3.3) с различными системами аэрации, которые можно отнести ко второму поколению биохимических реакторов для очистки концентрированных сточных вод, поскольку в них имеются элементы для задержки биомассы в реакционной зоне. Такая конструкции способствует ускорению и углублению изъятия субстратов. Реакторы устойчивы к колебаниям нагрузки благодаря повышенной концентрации активного ила. Среди обилия вариантой реакторов-отстойников, нет принципиальных различий. Важно, чтобы система аэрации соответствовала требуемому уровню обеспечения процесса кислородом и отсутствовали застойные зоны. При прочих равных условиях конструкция аэротенка-отстойника тем эффективнее, чем большую относительную концентрацию активного ила он сможет обеспечить в реакционной зоне. Речь идет о концентрации ила по отношению к количеству (массовому расходу) загрязнений в поступающем стоке, поскольку доза ила есть функция не только степени рециркуляции (задержки биомассы), но и скорости разбавления и концентрации субстрата (см. раздел 4). В аэротенках-отстойниках ввиду их способности поддерживать высокую концентрацию биомассы, как правило, применяются высокопроизводительные аэраторы. Например, в конструкции аэротенка-отстойника ЛИСИ (рис. 3.4) удельная мощность двигателя аэратора постигает 0,5 кВт/м3. Это позволяет очищать в нем стоки мясокомбинатов и поддерживать концентрацию ила более 20 г/л (очевидно, со значительным количеством минеральной взвеси).

 

 

Рис 3.3. Аэротенк-отстойник: 1- аэратор, 2 – зона отстаивания, 3 – циркуляционная трубка, А –  подача сточной воды, Б - очищенная  вода.

Рис 3.4. Аэротенк-отстойник конструкции ЛИСИ 1- корпус, 2 – самовсасывающий  аэратор, 3 – воздухопроводящие трубки, 4 – защитный зонт, 5- воздухоотделитель, 6 – лоток, 7 – отстойник, 8 – трубопровод циркуляционного ила, 9 – направляющая труба, 10 – отражатель.

 

  

 

 

  

 

К таким типам реакторов  относятся зарубежные "Оксирапид", "Аэроакселератор", "Миниблок", "Оксиконтакт”, разработанные фирмами США, ФРГ, Франции (Degremont), В нашей стране также созданы подобные аэротенки.

Стремление интенсифицировать  процессы биологического окисления  субстратов привело к созданию реакторов, и которых для аэрации вместо воздуха используют технический  кислород. В США разработаны установки  UNОХ (рис. 3.5). Благодаря секционированию емкости реактора по длине, приближающему его к вытеснителю, и применению обогащенного кислородом воздуха глубина и скорость очистки здесь выше, чем в традиционных аэротенках. Создан целый ряд конструкций аэротенков, работающих с использованием чистого кислорода. На установке производительностью 10 000 м³ сточных вод в сутки достигнуто удаление БПК₅ на 97 % при незначительном количестве избыточного ила. Благодаря хорошей седиментации биомассы ее концентрация в реакторе достигала 9 г/л.

Рис. 3.5. Схема установки UNOX.

1 – аэротенк, 2 – отстойник, А – сточная вода, Б – очищенная вода, В – активный ил, Г – вход и выход аэрирующего газа. 

 

Отечественная установка  подобного типа окситенк была разработана ВНИИводгео для очистки стоков предприятий, имеющих технический кислород. Она отличается высокой степенью утилизации кислорода (90-95%) и сочетает достоинства аэротенков-отстойников с преимушеством от использования обогащенного кислородом воздуха. Положительный эффект заключается в том, что создается большая движущая сила массопереноса кислорода из жидкости в клетку и обеспечиваются физиологические потребности последней. Рекомендуемая в справочно-нормативной литературе минимальная концентрация растворенного кислорода в аэротенке 2 г О₂/л явно занижена и достаточна, очевидно, только для хозяйственно-бытовых стоков. В новом издании СПиП формулы расчета очистки в аэротенках учитывают концентрацию растворенного кислорода.

Сравнение эффективности  работы аэротенков разнообразных конструкций с различными схемами движения жидкости биомассы затруднено из=за большого количества самых противоречивых данных. Особенно это относится к аэротенкам, применяемым для очистки концентрированных стоков. Ниже приведены наиболее распространенные причины ошибок в оценке аэротенков.

1. Значительные колебания  состава и загрязненности стонных вод нарушающие нормальное течение процесса роста биомассы и окислении субстрата. Колебания приводят к перестройке видового состава и физиологических свойств сообщества микроорганизмов, что часто влечет появление дефицита кислорода и изменение показателей очистки. Одним из непременных условий нормальной работы биохимическою реактора является равномерная подача субстрата определенной концентрации.

2. Несоответствие массообменных  характеристик аэрационных систем  максимальной физиологической потребности  культуры в кислороде, что приводит к лимитированию процесса роста и потребления субстрата скоростью переноса кислорода. Реальная скорость истощения субстрата (окислительная мощность) в этом случае зависит не от той  или иной конструкции аэротенка, а только от мощности аэрационной системы. Это обстоятельство, как правило, не учитывается при испытаниях аэротенков. Для сточных вод концентрацией БПК₅ 500 мг О₂/л и выше порог лимитирования кислородом повытается, подрастает также требуемая удельная скорость растворения кислорода в единице объема жидкости и интенсивность турбулизации и (рассеиваемая мощность в единице объема).

3. Неоптимальные с позиций  гидродинамики конструкции аэротенков, изобилующие застойными зонами, где условия массообмена далеки от требуемых для обеспечения физиологических возможностей роста микроорганизмов.

4. Различные условия рециркуляции  или задержки биомассы в реакционных  объемах. При прочих равных  условиях очистка протекает быстрее  и глубже там, где выше отношение  концентрации биомассы к концентрации  субстрата. 

 

 

  

 

Для аэраторов  различных типов, размеров и различных  реакторов значения а и /3 изменяются в пределах 0,4 < а *» 0,95 и 0,11 < 0 < 0,7. В случае применения импеллерного аэратора величины а и /3 изменяются в зависимости от обьема реактора следующим образом (табл. 3.5).

Уравнение (3.2) является достаточно универсальным для сравнения и масштабирования системы аэратор — аэротенк. 

 

3.2. АНАЭРОБНАЯ  ОЧИСТКА СТОКОВ

Основы технологии анаэробной очистки стоков. Целесообразность применения анаэробных процессов очистки к концентрированным стокам промышленных предприятий обусловлена способностью сообществ анаэробных микроорганизмов продуцировать энергетическое сырье (биогаз) и снижать концентрацию субстратов до уровня, приемлемого для последующего применения аэробной очистки. К другим достоинствам анаэробной обработки можно отнести образование осадков, представляющих собой ценное органическое удобрение, или потенциальное сырье для получения протеина и биологически активных веществ.

Превращение органических веществ при анаэробной очистке приведено на схеме 2.

Схема 2 

 

 

 

Условное деление  времени протекания периодического процесса анаэробного разложения на две фазы основано на проявлении активности различных физиологических групп  микроорганизмов. Фаза I (ее иногда называют "кислой") характеризуется значениями рН < 7, редокс-потенциал ЕН до 100... 150 мВ. Фаза II называется щелочной, поскольку рН жидкости повышается до 7,5—8,5 и Еh снижается до 100...150 мВ. График изменения рН,Еh и газовыделения в периодическом процессе изображены на рис. 3.11. 

 

 

 

 
 

Рис. 3.11. Изменение  параметров периодического анаэробного  процесса: 1 -Eh;  2 - рH;  3 — газовыделение Fr

Рис. 3.12. Разложение белков (1), жиров (2), углеводов (3) и изменение  содержания органического углерода (4) при периодическом сбраживании

 

  

 

Разложение белков, жиров и углеводов (рис. 3.12) происходит не полностью, а до определенного  предела, обусловленного составом сложного субстрата (использован субстрат с  ХПК 15 г О2/л). Приведенные на графике данные получены в результате анализа проб культуральной жидкости из анаэробного реактора в процессе периодической ферментации.

Глубина сбраживания Е = (S₀ - S_К /S₀). где S₀ и S_К соответственно исходная концентрация и концентрация после полного прекращения процесса различна для разных компонентов субстрата. Например, для белка она составляет от 54 до 60 %, для жиров - от -15 до 40 %. Результаты сбраживания субстрата иного происхождения показывают, что максимально возможная глубина сбраживания белков и жиров отличается от указанной. Очевидно, максимальная глубина сбраживания не является постоянной величиной для каждого из указанных классов соединений, а изменяется в зависимости от их соотношения в сбраживаемом сырье и наличия других компонентов, участвующих в биохимических окислительно-восстановительных процессах. В каждом конкретном случае максимальная глубина конверсии компонента субстрата зависит от соотношения в нем доноров и акцепторов электронов.

Динамика изменения содержания летучих жирных кислот (ЛЖК) зольности  и влажности культуральной жидкости изображена на рис. 3.13. Фазе I (брожения) соответствует период максимального накопления ЛЖК, в фазе II их содержание снижается. В фазе 1 выделяется преимущественно диоксид углерода, далее с развитием метаногенеза в газах брожения начинает преобладать метан.

Скорость процессов гидролиза  органических соединений субстрата, обычно лимитирующая процесс сбраживания, существенно зависит от дисперсности частиц. Для ускорения ферментативного гидролиза целесообразно подвергать субстрат тонкому измельчению или гидролизовать с химическими реагентами при температуре, до 170 °С, рН 6, времени выдержки 30 мин и более. Такая обработка ускоряет процесс сбраживания на 40 %.

Дальнейшее превращение  субстратов с образованием кислот и  газов протекает со скоростью, зависящей  только от физиологических возможностей сообществ микроорганизмов при  условии обеспечения достаточного перемешивания. Требования к перемешиванию  культуральной жидкости при метановом брожении не сформулированы достаточно строго. Имеются данные о положительном влиянии перемешивания на скорость процессов брожения. По другим сведениям перемешивание не влияет на интенсивность сбраживания.

Для нормального массопереноса  компонентов субстрата к клеткам, безусловно, необходимо обеспечивать некоторое перемешивание культуральной жидкости. Перемешивание не должно приводить к значительному выносу твердых частиц субстрата с иммобилизованными на них микроорганизмами с покидающей реактор жидкостью. Это условие не является обязательным для анаэробных реакторов со вторичными отстойниками и рециркуляцией биомассы.

Кинетические константы  кислотообразования и метаногенеза гораздо ниже, чем аэробного окисления, поэтому анаэробные процессы практически не лимитируются субстратом даже при низкой интенсивности перемешивании.

Поскольку реальные субстраты  для метанового сбраживания обычно представляют собой дисперсии с  широким спектром размеров частиц, кинетика всего анаэробного процесса определяется кинетикой гидролиза  полнодисперсной фазы. Прослеживаются два режима утилизации компонентов субстрата: быстрый — в начальный период сбраживания и медленный — в заключительный период. Высокая скорость утилизации субстрата в начальный период процесса объясняется разложением растворенных и мелкодисперсных компонентов. Затем, после истощения легкоусвояемого субстрата, скорость процесса начинает определяться гидролизом более крупных частиц вплоть до полного прекращения брожения. 

 

Рис. 3.13. Изменение влажности (/), зольности (2) и содержания ЛЖК (3) в субстрате при периодичеком сбраживании

Рис. 3.14. Зависимость производительности E/τ анаэробного реактора по сброженному веществу от времени τ пребывания при ε=0,06ч-1

 

 

Определяющее влияние  на скорость анаэробных ферментативных процессов имеет температура  сбраживания. Различают сбраживание  психрофильными (4—25°С, предпочтительно 15—20°С), мезофильными (20-40°С, предпочтительно 35°С) и термофильными (45—70°С, предпочтительно 55°С) культурами анаэробных микроорганизмов. Выделение биогаза происходит уже при 4°С. Наиболее предпочтнтельными режимами признаны мезофильный (30-35°С) и термофильный (50-57°С), Существует мнение, что в интервале температур между 35 и 48°С брожение практически прекращается. Однако, по многочисленным данным, процесс протекает нормально при температурах 37-39°С и более.

В соответствии с законом  Аррениуса скорость процессов ферментации  возрастает с увеличением температуры  вплоть до 60 °С - максимальной для практической реализации метанового брожения. При температуре 35 °С скорость газовыделения вдвое выше, чем при 26 °С.

В реакторах непрерывного действия глубина сбраживания (см. раздел 4) зависит от времени пребывания жидкости и степени задержки (рециркуляции) биомассы. При высоких скоростях разбавления метаногенез может вообще не развиваться, в реакторе будут происходить только процессы частичного гидролиза сложных субстратов и кислотообразования.

В таком случае следует  увеличить время пребывания и  принять меры к задержке взвешенных частиц в реакторе (увеличить возраст  ила). Если целью ферментации является очистка жидкости от органических соединений, то время пребывания в реакторе нужно  увеличивать для достижения большей  глубины сбраживания. При необходимости  достижения наибольшей производительности реактора по газу следует подбирать  такие значения скорости разбавления, чтобы с единицы объема реактора снимать наибольшее количество газа, но глубина сбраживания при этом будет уменьшаться. Максимальная производительность может быть определена по формуле