Сыворотка

Е / τ    - max .      (3.3)

где глубина сбраживания Е по ХПК или углероду зависит от скорости разбавления D=1/τ по модели  (рис. 3.14) .

На графике. максимальная производительность по сброженному веществу (газу) соответствует времени пребывании в реакторе 7,5 ч. В данном примере принято, что кинетический коэффициент с учетом задержки биомассы е =0,05 ч ^-1. В этом режиме глубина сбраживания составят всего 0,1, т. е. в биогаз будет превращаться лишь незначительная часть субстрата. Высокая производительность реактора по газу будет достигаться за счет большого расхода субстрата, проходящего через реактор. При снижения расхода субстрата увеличатся время пребывания и глубина сбраживания Е, но уменьшится производительность по газу.

Увеличить глубину сбраживания  при каком-то фиксированном D можно в результате увеличения "возраста" ила [(уравнение (4.7)]. Каждый конкретный субстрат имеет определенное соотношение растворенных и взвешенных органических веществ и без предварительного экспериментального определения кинетических характеристик процесса анаэробного разложения невозможно предсказать, как глубоко он будет сброжен в данном реакторе. На "возраст" ила в значительной мере будут влиять дисперсность, седиментационные свойства частиц, размеры и конструкция вторичного отстойника или гидродинамическая обстановка внутри реактора. При конструировании анаэробного реактора необходимо стремиться к возможно меньшему выносу частиц. Для выполнения этого условия применяют так называемые реакторы с восходящим потоком (Upflow reactors), в которых перемешивание осуществляется подаваемым снизу вверх потоком циркулирующей культуральной жидкости. Скорость осаждения частиц должна быть больше скорости восходящего потока.

Для задержки биомассы в  реакторе используются различные носители с развитой поверхностью, на которой  иммобилизуются микроорганизмы. В качестве носителей биопленки исследованы, например, трубчатые керамические элементы, гравий (D =25—40 мм), полихлорвиниловые трубки.

Предварительный химический гидролиз сырья и сбраживание  в реакторах с восходящим потоком и носителем биопленки позволили увеличить производительность более чем в пять раз по сравнению с реакторами-смесителями. Особенно продуктивны термофильные реакторы с удельной площадью биопленки 120-140 м³ на 1 м объема.

Для анаэробной обработки  высокозагрязненных сточных под со значительным количеством дисперсной фазы и крупными частицами (например стоков убойных цехов, площадок для предварительного содержания скота мясокомбинатов) нецелесообразно применять какие-либо искусственные носители биомассы. Достаточное количество биопленки образуется на самих частицах загрязнений, и задача состоит лишь в том, чтобы организовать задержку и медленное перемешивание суспензии в реакторе. Для малозагрязненных вод с небольшим отношением взвешенных веществ к растворенным применение заполнителей дает гораздо больший эффект по скорости и глубине сбраживания. В таких реакторах целесообразно очищать сточные воды от переработки картофеля, предприятий консервной промышленности, сахарных заводов (после предварительного отстаивания) .

Реакторы, в которых очистка  осуществляется иммобилизованными микроорганизмами, относят к реакторам второго поколения. Особенно эффективны метантенки с псевдожиженным слоем носителя иммобилизованной микрофлоры. В качестве таких носителей используют гранулы активного угля и пластических масс, песок. Переработка молочной сыворотки в метантенках с кипящим слоем, заполненных дробленым углем и песком с частицами диаметром ~ 0,2 мм, позволила достичь снижения ХПК до 95 % в течение времени пребывания 0,4-0,5 сут.

Фирма Biomass Ltd предложила метантенк для обработки высокозагрязненных сточных вод, от пищевых и микробиологических производств с ХПК до 30 г/л и БПК до 20 г/л. Особенностью конструкции является сочетание неподвижного носителя биопленки с подвижным, находящимся в псевдокипящем слое. В мезофильном режиме работы снижение ХПК достигает 89 %, БПК — 95 %.

Все типы реакторов с иммобилизованной биопленкой характеризуются высокой степенью задержки биомассы (малыми значениями µ), приспособлены к значительным колебаниям нагрузки, но требуют строгого соблюдения технологической дисциплины, надежных систем автоматизации. Отмечаются определенные трудности при пуске таких реакторов, связанные с медленным нарастанием биопленкн.

В практике анаэробной переработки  отходов применяются понятия "гидравлическая нагрузка" и "нагрузка по органическому  веществу" (ХПК, БПК). Из величины нагрузки на единицу объема реактора рассчитывают или определяют выход газа, глубину сбраживания.

Гидравлическая нагрузка является параметром, с которым связан выход газа или глубина сбраживания данного субстрата в конкретном реакторе. Величина гидравлической нагрузки не определяет однозначно технологических параметров сбраживания субстратов разных концентраций. Этого недостатка лишено понятие "нагрузка по органическому веществу", поскольку в определенных пределах изменения от нее обычно линейно зависит выход биогаза (рис. 3.15). На рис. 3.15 приведена типичная эмпирическая зависимость выхода газа Fr от нагрузки по ХПК (субстрат - отходы консервного завода). 

 

 

 

Нагрузка по веществу N (по определению) связала со скоростью разбавления N= D· So 

 

Рис. 3.15. Зависимость выхода газа (Fr) из реактора объемом 500 м3 от нагрузки по ХПК (N) 

 

Если увеличивать нагрузку по веществу и результате роста So, то выход газа также будет возрастать по зависимости, близкой к линейной, до достижения концентраций субстрата, ингибирующих процесс (приблизительно 15% органического вещества в бражке). Таким образом, эмпирические зависимости технологических параметров метанового сбраживания от нагрузки являются кусочно-линейной аппроксимацией более сложных функций, связывающих глубину сбраживания Е, скорость разбавления D, удельную скорость роста сообщества µ, кинетический коэффициент ε (см. раздел 4).

Фактические значения нагрузок по органическому  веществу на единицу объема анаэробных реакторов, перерабатывающих стоки  пищевых предприятий, приведены в табл. 3.6. Концентрация загрязнений в сброженной жидкости определена во взболтанной пробе, и по полученному значению рассчитана глубина очистки. 

 

3.6. Показатели работы анаэробных  реакторов при переработке стоков  различных производств

Сточная вола	Температура, С	Нагрузка по органическому веществу, кг/(м3 -сут)	Глубина очистки, %
Переработки картофеля	22	1,92	43 (по БПК)
Производства крахмала	32	. 3,79	56 (по БПК)
Консервного завода	35	5-7,3	88-91 (по ХПК)
Свеклосахарного завода	35	-	98 (по БПК)
Мясопереработки	32-34	2,4	91 (по БПК)
Пивоваренного производства	35	1,60	90 (по БПК)

 

  

 

Выход биогаза из единицы сброженного вещества и его состав зависят от конкретного вида субстрата, соотношения в нем различных классов органических веществ. В научно-технической литературе нет единообразия в представлении данных об удельном выходе газа из вещества субстрата. Чаще всего встречается такой показатель, как объемное количество биогаза, приходящегося на единицу массы поступающего на анаэробную переработку органического вещества. Поскольку выход газа зависит от глубины сбраживания, то использовать упомянутый параметр для сравнения работы различных реакторов невозможно.

Более строго характеризуется процесс  величиной выхода биогаза из единицы массы сброженного вещества. Например, из 1 кг сброженеого БПК выделяется, по одним данным, 0,334 м3 биогаза, по другим - из 1 кг сброженного органического вещества может быть получено от 0,222 до 0,7 м3 биогаза. При анаэробной обработке активного ила из 1 кг сброженного ХПК образуется 0,102-0,2 м3 биогаза. Если принять, что состав газа, выделяющегося при сбраживании органических отходов естественного происхождения, соответствует приблизительно 60% СН4 и 40% СО2 (по объему), то 1 кг сброженного углерода превращается в 1,623 м3 биогаза. Практические анализы дают несколько более низкое значение из-за неизбежных потерь при обработке проб. Расчетный выход газа из единицы сброженного углерода является наиболее надежным показателем, позволяющим сравнивать работу различных анаэробных реакторов. На практике для сравнительного анализа конструкций и режимов работы анаэробных реакторов часто используют такой параметр, как удельная скорость газовыделения. По различным данным, в зависимости от интенсивности процесса этот показатель может измениться от 0,6 до 6 м3 газа на 1 м3 объема реактора в сутки и более. Как правило, удельная скорость газовыделения выше в реакторах с большим "возрастом" биомассы, высокой степенью задержки взвешенных веществ.

Концентрация субстрата до 15-20% абсолютно сухого вещества (АСВ) не подавляет процесс сбраживания, известны успешные попытки анаэробной переработки субстратов с содержанием сухого вещества до 40 %. В процессе сбраживания из-за потери вещества с газом происходит разжижение культуральной жидкости, снижение ее вязкости, что позволяет нормально эксплуатировать реактор.

Подачу субстрата следует осуществлять по возможности непрерывно. Допускается  подача субстрата не реже чем раз  в сутки, иначе процесс сбраживания  нарушается и ухудшаются показатели работы реактора.

В настоящее время получили распространение  двух- и даже ступенчатые анаэробные реакторы, где процессы гидролиза сложных соединений, кислотообразоваяия и метаногенеза протекают в отдельных емкостях. Идея разделения фаз анаэробного процесса представляется плодотворной, поскольку кинетические константы кислотообразовання и метаногенеза различаются. Для ацидогенеза при 32˚ С µmax = 0,164 м ^-1 (модель Моно). Метаногенные ассоциации растут медленнее, поэтому для них объем реакционной зоны должен быть в два-четыре раза больше. В метантенках с фазовой сепарацией (разделением фаз) можно создать наиболее благоприятные условия для развития каждой микробной ассоциации. Это позволяет сократить суммарный объем реактора, уменьшить эксплуатационные расходы. С другой стороны, двух- и трехступенчатые реакторы с различными режимами работы сложно увязать в единую систему, для этого требуются надежные средства автоматизации и управления. Реакторы с фазовой сепарацией не имеют преимуществ перед обычными при сбраживании субстратов с высоким содержанием дисперсной фазы.

Отношение С/N в субстрате имеет важное значение для нормального анаэробного процесса. Достаточным является значение С/N =< 17. При более значительном преобладании углерода необходимо вводить азот в виде (NH₄)₂СО₃. Стоки пищевых предприятий, как правило, имеют благоприятное для анаэробного процесса соотношение С/N и достаточное содержание фосфора.

На процесс анаэробного разложения органических веществ значительно  влияет наличие в субстратах различных  минеральных компонентов, многие из которых токсичны для микроорганизмов. В табл. 3.7 приведены данные о влиянии  различных примесей на процесс сбраживания. В малых концентрациях многие токсичные вещества оказывают стимулирующее действие на развитие анаэробного биоценоза, выступая в качестве необходимых микродобавок.

Такие распространенные примеси, как  натрий (стоки мясокомбинатов) или  кальций (стоки сахарных заводов), имеют  довольно высокую пороговую концентрацию, угнетающую процесс. Это позволяет  применять к указанным сточным  водам технологию анаэробного обезвреживания. Стоки сахарного завода с высоким  содержанием Са⁺² могут быть очищены в анаэробном реакторе на 95 % по ХПК. Образующийся карбонат кальция способствует хорошему осаждению анаэробного ила и не влияет отрицательно на жизнедеятельность анаэробных микроорганизмов.

Реакторы для анаэробной очистки. Типовые метантенки (рис. 3.16) выполняются из железобетона и имеют четыре основных типоразмера (табл. 3.8).

В типовых метантенках практически отсутствует перемешивание осадка, не предусмотрено отстаивания и рециркуляции анаэробного ила. Подогрев жидкости осуществляется инжектированием пара. 

 

3.7. Влияние концентрации примесей  на анаэробный процесс, мг/л 

 

Компонент	Стимуляция	Угнетение	Токсичность
Аммонийный азот	50-200	1,500-3,000	3,000
Натрий	100-200	3,500-5,500	8.000
Калий	200-400	2.500-4,500	12.000
Магний	75-150	1,000-1,500	3.000
Кальций	100-200	2,500-4,500	8,000
Медь	100	150-250	300
Цинк	50	150	250
Никель	50	100-300	500
Хром (VI)	-	100	200
Хром (III)	50	100-300	300
Железо (III)	100	150-300	500
Железо (II)	100	300-500	1,000
Цианиды	1	2-4	5
Сульфиды в щелочной среде	-	30	50
Сульфиды и кислой среде	50	100	200
Детергенты	100	150-300	500
Фенол	50	100	150

 

 

3.8. Основные характеристики типовых метантенков 

 

Номер типового проекта	Диаметр, м	Объем, м3	Стоимость резервуара, тыс. руб
902-2-227	12,5	1000	42,72
902-2-228	15	1600	59,86
902-2-229	17,7	2500	83,65
902-2-230	20,0	4000	124,86