биотехнологического профиля, поступающим в водоотводящую сеть г. Минска

Существующая инфраструктура предприятия (наличие котельной, реагентного хозяйства, горячей оборотной воды) значительно упрощает решение задачи кондиционирования сточной воды по рН, температуре и эффективного использования образующегося биогаза.

На рис. 4.9 приведена одна из наиболее сложных схем локальной очистки производственного стока, которая, помимо основного процесса анаэробной деструкции загрязнений в биореакторе, включает предварительную подготовку сточной воды, очистку биогаза от сероводорода, удаление сульфидов из биологически очищенной сточной воды и обезвоживание образующихся осадков. Необходимость в каждой из перечисленных технологических операций определяется характеристиками сточной воды и конкретными местными условиями.

Рис. 4.9. – Технологическая схема предварительной анаэробной очистки сточной воды

1 – приемник сточных вод; 2, 13 – вертикальные отстойники; 3 – подогреватель; 4 – комбинированный анаэробный биореактор; 5 – фиксированная насадка, 6 – газоилоотделительное устройство; 7 – гидрозатвор; 8 – приемник биологически очищенной сточной воды; 9 – аэратор эжекторного типа; 10 – биореактор для удаления растворенного сероводорода из воды; 11 – волокнистая загрузка; 12 – каплеотделитель сетчатый; 14 – циклон-каплеотделитель; 15 – газгольдер; 16 – предохранительная «свеча»; 17 – установка для десульфуризации биогаза; 18 – нагнетатель воздуха; 19 – илоуплотнитель; 20 – сборник надиловой воды; 21 – фильтр-пресс

Предварительная обработка стока может заключаться в удалении грубодисперсных и минеральных примесей, усреднении расхода и уровня загрязненности, отстаивании, нейтрализации, обогащении биогенными элементами, подогреве, частичной преацидификации (выдержке в кислотогенной фазе) или физико-химической обработке. Практический опыт свидетельствует о необходимости удаления грубодисперсных примесей при очистке сточных вод свеклосахарных, картофеле- и овощеперерабатывающих заводов, мясокомбинатов, заводов по производству пива.

Усреднение стока является обязательной операцией для производств с периодической промывкой оборудования, значительными колебаниями расхода, концентрации загрязнений и величины рН. Усреднитель одновременно может выполнять функции отстойника, емкости для преацидификации и нейтрализации сточной воды. Как правило, при нейтрализации требуется подщелачивание стоков до оптимальной величины рН (6,5−7,5), значительно реже сточная вода нуждается в подкислении. В качестве нейтрализующих агентов используют NaOH, NH₄OH, Ca(OH)₂, Na₂CO₃. Наиболее дешевым реагентом является гидроокись кальция, но применение ее в большой дозе приводит к накоплению нерастворимого карбоната кальция в иле и снижению его активности. При нейтрализации сточной воды следует учитывать не только величину рН, но и содержание органических соединений азота, которые разлагаются в биореакторе с образованием аммиака, эффективно подщелачивающего среду. Высокое содержание органического азота (больше 500 мг/дм³) позволяет осуществлять очистку кислых (рН не ниже 3,5) стоков без подщелачивания реагентами, только за счет рециркуляции очищенной воды.

В настоящее время накоплен значительный положительный опыт анаэробной очистки низкоконцентрированных сточных вод (1−3 г/л по ХПК) в условиях невысокой и колеблющейся температуры исходного стока (20−30°С), вопреки существовавшим ранее представлениям о необходимости строгого поддержания оптимальной температуры. Низкая температура (20°С и менее) неприемлема при очистке концентрированных сточных вод или содержащих значительную часть загрязнений в виде биохимически трудногидролизуемых взвешенных веществ.

При очистке сточных вод, содержащих загрязнения в виде простых органических соединений, рекомендуют применять частичную преацидификацию (со снижением ХПК на 20−30%), которую часто проводят не в отдельных кислотофазных биореакторах, а в усреднителях. В результате создаются более благоприятные условия для функционирования метаногенных бактерий в основном биореакторе. По поводу целесообразности полного разделения кислотогенной и метаногенной фаз применительно к очистке стоков в биореакторах второго поколения единого мнения у специалистов нет. Выявлены следующие недостатки двухфазных технологий: увеличение капитальных затрат; в ряде случаев возникает необходимость в нейтрализации ЛЖК, образующихся в кислофазном реакторе и закисляющих сток до величины рН < 5; дисперсная биомасса кислотогенных бактерий, содержащаяся в стоке после первой фазы обработки, способствует вытеснению метаногенного ила из биореактора второй фазы. В связи с этим при двухфазной обработке концентрированных стоков рекомендуется отделение кислотогенной биомассы отстаиванием. Кроме того, целесообразна оптимизация кислофазного брожения для конкретного вида стоков с целью получения интермедиатов наиболее благоприятного для последующего метанового сбраживания состава.

Считают выгодным применение глубокого разделения фаз анаэробного брожения при очистке сточных вод с высоким содержанием соединений серы. В этом случае большая часть сероводорода, образующегося в результате протекающей на первой стадии брожения сульфатредукции, отводится с «кислотогенным» биогазом, что повышает качество биогаза, получаемого на второй стадии.

Избыточная биомасса активного ила удаляется из биореактора с очищенной водой в виде взвешенных веществ. В реакторах со взвешенно-седиментирующей биомассой (гибридный, UASB-реактор) необходим периодический отбор избыточного ила из нижней части аппарата. При очистке сточных вод с уровнем загрязненности по ХПК 2−3 г/дм³ прирост избыточной биомассы ила составляет в среднем 150−200 мг/дм³, что позволяет сбрасывать очищенный сток без отстаивания в городскую канализационную сеть или направлять на доочистку в аэробные сооружения. Количество избыточного ила, удаляемого непосредственно из биореактора, составляет в этих условиях не более 0,002−0,003 м³/м³ сточной воды.

Анаэробный ил может длительное время храниться при температуре 15−20°С (в течение года активность ила снижается на 20−30%). Резервный запас ила используется в качестве инокулята при резких нарушениях режима работы биореактора или при запуске других реакторов. В странах Западной Европы гранулированный ил производится как товарный продукт, предназначенный для запуска анаэробных установок. Хорошие водоотдающие свойства ила позволяют обезвоживать его в центрифугах или фильтр-прессах без применения реагентов.

Удаление из очищенной сточной воды растворенного сероводорода при необходимости производят посредством контакта со стальной стружкой или биохимическим окислением до серы в аэробных условиях с помощью иммобилизованных бактерий рода Thiobacillus, спонтанно развивающихся в аэробном активном иле. Требуемая продолжительность аэрации при исходной концентрации сероводорода 150−180 мг/дм³ составляет 3−4 ч.

Общим недостатком анаэробных биореакторов является длительный период выхода на проектную производительность из-за низкой скорости роста и невысокой адгезионной способности метаногенных бактерий. Стабилизация функционирования биореакторов с прикрепленной биопленкой может продолжаться до года. Значительно быстрее (за 4−6 месяцев) происходит запуск реакторов со взвешенно-седиментирующей биомассой (UASB- и гибридный реакторы), но в период запуска необходимо соблюдать следующие требования:

− разбавление сточной воды при высоком содержании загрязнений или токсичных компонентов;

− поддержание низкой скорости протока сточной воды (до 0,01 ч⁻¹), исключающей вымывание флокул и гранул активного ила из аппарата;

− постепенное увеличение нагрузки по органическим загрязнениям только после достижения степени очистки стока по биоразлагаемой части ХПК не менее 80%;

− поддержание оптимальных значений рН среды (не ниже 6,0 и температуры процесса.

Резко сокращает продолжительность запуска UASB-реактора (до 2−3 недель) инокулирование его гранулированным илом (5−15 кг органического вещества на 1 м³ объема ферментационной среды) из другого биореактора, функционирующего на аналогичном стоке. При отсутствии ила анаэробных биореакторов могут быть использованы и другие источники посевного материала. В этом отношении наиболее пригодны анаэробно сброженные осадки очистных сооружений. Большая неожиданность состоит в том, что, как показали исследования, в качестве инокулята для анаэробных биореакторов применим даже активный ил из аэротенков, в котором содержится до 10⁸ клеток метаногенных бактерий в расчете на 1 г сухого вещества.

Опыт эксплуатации анаэробных биореакторов в Западной Европе свидетельствует, что возникающие технические проблемы связаны с утечкой биогаза, засорением распределительных устройств для сточной воды, коррозией и недостаточной теплоизоляцией аппаратов. Специалисты оценивают эксплуатацию современных анаэробных биореакторов как нетрудоемкую. Капитальные затраты на строительство анаэробной установки с UASB-реактором объемом 1000 м³ составляют в условиях Западной Европы 500−750 тыс. долл. США. Эксплуатационные затраты на анаэробную очистку 1 м³ сточной воды составляют 0,06−0,08 долл. США. С учетом дохода от реализации биогаза анаэробная очистка стоков с высоким уровнем загрязненности может стать прибыльной.