Анаэробные методы обезвреживания используют для сбраживания осадков, образующихся при биохимической очистке производственных сточных вод, а также как первую ступень очистки очень концентрированных промышленных сточных вод (БПКполн 4-5 г/л), содержащих органические вещества, которые разрушаются анаэробными бактериями в процессах брожения. В зависимости от конечного вида продукта различают следующие виды брожения: спиртовое, пропионовокислое, молочнокислое, метановое и др. Конечными продуктами брожения являются: спирты, кислоты, ацетон, газы брожения (СО2, Н2, СН4).
Для очистки сточных вод используют метановое брожение. Этот процесс очень сложный и многостадийный. Механизм его окончательно не установлен. Считают, что процесс метанового брожения состоит из двух фаз: кислой и щелочной (или метано-вой). В кислой фазе из сложных органических веществ образуются низшие жирные кислоты, спирты, аминокислоты, аммиак, глицерин, ацетон, сероводород, диоксид углерода и водород. Из этих промежуточных продуктов в щелочной фазе образуются метан и диоксид углерода. Предполагается, что скорости превращений веществ в кислой и щелочной фазах одинаковы.
Процесс брожения проводят в метантенках — герметически закрытых резервуарах, для ввода несброженного и отвода сброженного осадка. Схема метантенка показана на рисунке 54.
Рисунок 54 — Метантенк
Перед подачей в метантенк осадок должен быть по возможности обезвожен.
Основными параметрами аэробного сбраживания являются температура, регулирующая интенсивность процесса, доза загрузки осадка и степень его перемешивания. Процессы сбраживания ведут в мезофильных (30 — 35 °С) и термофильных (50 — 55 °С) условиях. Метантенк представляет собой железобетонный резервуар с коническим днищем, снабженный устройством для улавливания и отвода газа, а также оборудованный подогревателем и мешалкой. Применяются метантенки диаметром до 20 м и полезным объемом до 4000 м3.
Перемешивание производится механическими мешалками или гидравлическими насосами. Использование для этой цели насосов основано на перекачивании донных слоев осадка в верхние. Это приводит к рыхлению бродящей массы, т.к. в процессе перемешивания происходит выделение газа. Впуск и выпуск осадков производится с помощью насосов.
Метантенки применяются для минерализации осадков бытовых и производственных сточных вод, содержащих доступные для микроорганизмов органические вещества.
Полного сбраживания органических веществ в метантенках достичь нельзя. Все вещества имеют свой предел сбраживания, зависящий от их химической, природы. В среднем степень распада органических веществ составляет около 40%.
Для достижения высокой степени анаэробного сбраживания необходимо соблюдать по возможности высокую температуру процесса, концентрацию беззольного вещества более 15 г/л, интенсивную степень перемешивания, рН среды 6,8-7,2. Снижают эффективность сбраживания присутствие катионов тяжелых металлов (меди, никеля, цинка); избыток ионов NH4+, сульфидов, некоторых органических соединений и в том числе детергентов.
Процесс брожения сточных вод ведут в две ступени. При этом часть осадка из второго метантенка возвращают в первый, В первой ступени обеспечивают хорошее перемешивание.
Основным условием работы метантенка является наличие в нем сброженного осадка, обильно заселенного микроорганизмами, адаптированными к данному загрязнению. Сброженный осадок получают в пусковой период очистного сооружения. Для сокращения пускового периода в сооружение вводят зрелый осадок из работающего метантенка или из других источников, например, из канализационных колодцев, так как свежий осадок сбраживается очень медленно (до 6 месяцев). При соотношении 2:1 зрелого осадка к свежему происходит сравнительно быстрая адаптация микроорганизмов к данному загрязнению и резкому сокращению пускового периода.
Пусковой период сопровождается кислым брожением при котором в иловой жидкости накапливаются летучие жирные кислоты, снижается рН, исчезает щелочность. Вся бродящая масса приобретает неприятный запах из-за выделения индола, скатола и меркоптана и серый цвет. В газообразной фазе появляется сероводород, убывает содержание метана и возрастает количество СО2.
Разлагающаяся часть осадка сточных вод состоит главным образом из углеводов, жиров и белковых веществ. Находясь в одинаковых условиях, эти составные части осадка минерализуются с различными скоростями и достигают различной величины разложения. Возбудителями метанового брожения в метантенке являются те же группы микробов, которые участвуют в минерализации органического вещества в двухярусном отстойнике. Только в метантенке эти процессы протекают более напряженно из-за того, что в нем создаются благоприятные условия для развития анаэробной микрофлоры.
Наиболее интенсивно процессы распада протекают в термофильных условиях. Термофильные микроорганизмы имеют весьма энергичный обмен веществ; процессы осмотического всасывания и удаления ненужных веществ из клеток протекает быстрее, чем у мезофиллов. При термофильном брожении распад органического вещества достигает 55 – 65 %. Кроме того, в этих условиях происходит отмирание патогенной микрофлоры кишечной группы.
Процессы распада можно ускорить введением в бродящую массу концентрированных «биокатализаторов», которые состоят из смеси энзимов, выделяемых бактериями, разлагающими органическое вещество.
При брожении в метантенках из одного кубометра твердой фазы сточной жидкости образуется от 10 до 18 м3 газа, который в среднем содержит 63—65% метана, 32—34% СО2. Теплотворная способность газа 23 МДж/кг. Его сжигают в топках паровых котлов. Пар используют для нагрева осадков в метантенках или для других целей.
Осадок твердой фазы, не разрушенной при брожении, содержат минеральные и органические вещества, необходимые для нормального развития растений, поэтому его можно использовать как удобрение. Кроме того сброженный осадок используют в виде топлива. Для этого его подсушивают на иловых площадках, а затем формуют в топливные брикеты.
Широкое использование биохимического метода обусловлено:
- Возможностью удалять из сточных вод разнообразные органические и некоторые неорганические соединения, находящиеся в воде в растворенном, коллоидном и нерастворенном состоянии, в том числе и токсичные.
- Простатой аппаратурного оформления.
- Относительно невысокими эксплуатационными затратами.
- Глубиной очистки
К недостаткам метода относятся:
- Высокие капитальные затраты
- Необходимость строгого соблюдения технологического режима очистки.
- Токсичное действие на микроорганизмы ряда органических и неорганических соединений
- Необходимостью разбавления сточных вод в случае высокой концентрации примесей.
Для определения возможности подачи промышленных сточных вод на биохимические очистные сооружения устанавливают максимальную концентрацию токсических веществ, которые не влияют на процессы биохимического окисления и на работу очистных сооружений. При отсутствии таких данных возможность биохимического окисления устанавливается по биохимическому показателю: при отношении БПК п/ХПК > 50 % вещества поддаются биохимическому окислению. При этом необходимо, чтобы сточные воды не содержали ядовитых веществ и примесей солей тяжелых металлов. Биохимическую очистку считают полной, если БПКп сточной воды <20 мг /л и неполной, если БПКп > 20 мг /л.
