Принцип анаэробной очистки сточных вод заключается в процессе разложении органических примесей микроорганизмами в бескислородной среде.

Технология обычно применяется при многоступенчатой фильтрации промышленных и бытовых стоков в больших комплексах глубокой очистки.

Но существуют анаэробные установки скромных габаритов, применимые даже в условиях ограниченной площади частного дома.

В чем принцип анаэробной обработки, как анаэробные бактерии помогают не только качественно очистить воду, но и получить ценный биогаз? Эти и другие вопросы рассмотрим в данной статье.

Что такое анаэробная очистка сточных вод?

Анаэробная (в отсутствие кислорода) очистка стоков – двухэтапный процесс биохимического превращения органических примесей в метан и диоксид углерода. В природе подобное явление наблюдается в болотистой местности – со дна стоячих водоемов в результате гниения ила и других остатков растительного и животного происхождения выделяется болотный газ.

На первой стадии органика под воздействием микроорганизмов сбраживается до простых органических кислот (кислая фаза), а на второй ступени эти кислоты уже становятся источником питания для метанообразующих бактерий (щелочная фаза).

При определенных условиях конечным продуктом трансформации может стать аммиак. Анаэробные бактерии сверхчувствительны к внешним факторам.

Этот факт характеризует анаэробные процессы как:

  • менее гибкие и устойчивые в сравнении с аэробными;
  • требующие контроля и регулировки входных параметров загрязненных сточных вод.

Оптимальными показателями среды считаются температура 30-35 0С и рН 6,8-7,2.

Как правило, анаэробная технология применяется для сбраживания осадка первичных отстойников и избыточного активного ила аэробных биохимических систем обработки хозбытовых стоков и их смесей с промстоками.

Фото 2

Анаэробной обработке могут подвергаться только высококонцентрированные стоки с БПК5 не менее 500-1000 г/м3. При недостаточной загрязненности воды органикой микроорганизмы будут испытывать дефицит питания, очистка будет малоэффективной.

Типы анаэробных устройств

Анаэробные устройства представляют собой герметичные резервуары. Как правило – подземные. Подобные сооружения сложнее по конструкции, чем аэротенки, требуют больших затрат при возведении. Представляют собой одно- и двухступенчатые системы, а также разные типы реакторов.

Схема двухступенчатой установки:

  1. Первая емкость – биоустановка непрерывного действия с полным перемешиванием.
  2. Вторая емкость – резервуар для отделения и концентрирования твердых примесей (отстойник или центрифуга).

Предусмотрен возврат (рециркуляция) части осадка из второго резервуара в первый для увеличения в ней доли биологически активной микробиоты и интенсификации очистки.

Газовыделение препятствует отстаиванию, поэтому применение стандартных отстойников на второй ступени возможно только в условиях предварительной дегазификации потока первой ступени.

По этой причине такие системы используются для частичного разделения двух этапов анаэробной обработки — получения летучих органических кислот и метанового брожения.

В автономных канализационных системах частных домовладений устанавливаются компактные аппараты очистки стоков.

К промышленным комплексам анаэробной обработки относятся:

  1. Отстойники — лагуны и пруды. Устраиваются под открытым небом или в помещениях. В теплых регионах подобные сооружения служат не только в качестве очистных установок. Попутно здесь добывается биогаз – нужное сырье для топливных систем предприятий. Обычно отстойники возводятся вблизи комплексов по выращиванию скота, переработке мяса, в них сливается жидкий навоз и сточные воды.
  2. Метантенки – представители первого поколения биореакторов. Это искусственное сооружение в виде большого резервуара для сбраживания осадка и получения биогаза.
  3. Биореакторы – современные аппараты, чья конструкция предусматривает удержание биомассы метанового биоценоза в реакционном пространстве. Такие установки не требуют строгого контроля условий среды и медленно развивающейся популяции анаэробов, поэтому характеризуются экономичностью.

Чаще остальных используются метантенки, работающие как реакторы с полным перемешиванием:

  • открытые или закрытые;
  • с жестким или плавающим перекрытием.

Полезный объем емкости стандартного метантенка – 1000–3000 м3, условно его можно разделить на четыре с разной функциональностью:

  1. Для образования плавающей корки.
  2. Для иловой воды.
  3. Для сбраживания.
  4. Для уплотнения и дополнительной стабилизации осадка при хранении.

Требования пожарной безопасности

К устройству естественных анаэробных сооружений установлены жесткие правила пожарной безопасности. Выделяемый в результате активности микроорганизмов метан должен качественно улавливаться или рассеиваться в воздухе.

Фото 3

Поэтому сооружения, в которых установлены очистные блоки, оснащаются вентиляционными системами и газоанализаторами. Открытые пруды и отстойники сооружают на ровной, хорошо продуваемой площадке.

Обязательная мера – оснащение оборудования датчиками метана. В случае превышения концентрации биогаза сверх нормативного значения срабатывает система сигнализации.

Как определяется максимум по загрузке

Максимально возможная суточная доза загрузки (в м3/сут на 1 м3 емкости) определяется так, чтобы увеличение этой дозы не привело к тому, что вынос с выходящим потоком из сооружения активных бактерий превысит их рост и в результате в системе не останется достаточного количества действующих организмов.

Где и зачем применяется?

Анаэробный метод – разновидность биологической очистки. В основе принципа обработки – жизнедеятельность микробов и бактерий, расщепляющих органику на отдельные компоненты – строительный материал для своего развития.

В сточных водах много органических примесей, которые и становятся питательной средой для микроорганизмов.

Метод анаэробной обработки наиболее целесообразен при высокой загрязненности стоков органикой, для очистки бытовых сточных вод.

Основная сфера применения, где анаэробные методы полностью оправдываются эффективностью очистки, получением биогаза и ила в качестве органического удобрения – производство напитков (нектаров, соков, пива, другой алкогольной продукции), а также:

Процесс очистки подробно

Анаэробная деградация органических примесей – многоэтапный процесс с участием различных микроорганизмов:

  • гидролитиков;
  • ацетогенов;
  • бродильщиков;
  • метаногенов.

Среди микроорганизмов наблюдаются сложные взаимосвязи. Метаногены отличаются субстратной специфичностью, не способны развиваться вне трофической связи с другими субъектами сообщества.

Причем именно метаногены способны создавать оформленные структуры с другими бактериями или смешанные колонии. В свою очередь метановые археи, используя продуцируемые первичными анаэробами вещества, определяют скорость реакций бактерий.

Фото 4

Самая важная характеристика анаэробного ила – метаногенная активность, которую определяет состав стоков.

На стабильность анаэробного процесса влияют:

  • фазовый и химический состав субстрата;
  • гидродинамический режим, определяемый скоростью протока;
  • присутствие токсичных соединений.

Отрицательно влияют на эффективность анаэробного процесса:

  • высокий показатель pH стоков;
  • снижение температуры обрабатываемой воды;
  • низкая концентрация загрязнений.

Анаэробная трансформация органических субстратов в метан под воздействием микроорганизмов происходит в 4 стадии разложения:

  1. Гидролиз. Углеводы, протеины, липиды/ жиры на первом этапе преобразуются в соответствующие мономеры (сахара, аминокислоты, жирные кислоты).
  2. Ацидогенез. Мономеры подвергаются ферментативному разложению, трансформируются в органические кислоты, спирты и альдегиды.
  3. Ацетогенез. Вещества окисляются в уксусную кислоту, что связано с получением водорода.
  4. Метаногенез. На заключительном этапе образуется метан и в качестве побочного продукта углекислый газ.

Все стадии преобразования взаимосвязаны и должны протекать в резервуаре анаэробного реактора по строгому алгоритму, отклонение от одного промежуточного этапа нарушает весь процесс. Чтобы добиться максимальной эффективности, необходимо точное проектирование реакторов анаэробной очистки и их настройка на сточную воду с определенными свойствами.

В зависимости от того, какие органические примеси преобладают в обрабатываемой сточной жидкости, меняется состав биогаза и процент метана. Углеводы обычно разлагаются легко, но дают относительно меньшую долю метана.

Жиры и масла распадаются очень медленно, но в результате образуется большой объем биогаза с высокой концентрацией метана. Кроме того, происходит образование побочного продукта – жирных кислот, которые способны замедлить процесс разложения.

Обезвоживание ила

При периодической очистке резервуаров требуется удаление части активного ила ассенизаторской техникой или вручную.

Обработка избыточного анаэробного ила представляет собой простой процесс без особых проблем, т. к. биомассу характеризуют:

  • небольшой объем;
  • значительная исходная концентрация сухого вещества (до 100 г/дм3);
  • высокая зольность и стабильность;
  • хорошие водоотдающие качества.

Показатели позволяют обезвоживать ил без применения реагентов. Для обработки используются стандартные устройства – центрифуги, ленточные фильтр-прессы. При высоких нагрузках обезвоживание производится на иловых площадках.

Анаэробный ил, образующийся при обработке пищевых стоков, не содержит патоген­ной и токсичной микробиоты, безвреден для человека и животных.

Это качественное органоминеральное удобрение, которое используется практически без ограничений. С помощью сушильных центрифуг из ила можно получать иловый концентрат. Кроме этого, в анаэробном иле много минеральных элементов и витамина В12, что делает его полезной пищевой добавкой при подкормке животных.

Преимущества и недостатки метода

Деятельность анаэробных бактерий не сопровождается выделением энергии, поэтому температура внутри емкости остается постоянной. Оборудование работает без системы управления, что положительно сказывается на стоимости.

Среди других преимуществ:

  • эффективное удаление органических примесей;
  • простая эксплуатация;
  • низкие эксплуатационные расходы (например, для анаэробной микробиоты не нужна дополнительная аэрация);
  • надежность оборудования;
  • отсутствие необходимости частой утилизации постоянно растущей избыточной биомассы, как в аэробных сооружениях;
  • экологичность очищенных вод;
  • не выделяются опасные вещества.

Фото 6

Недостатки:

  • серьезные вложения на этапе строительства;
  • требуется строгий контроль соблюдения всех этапов технологического процесса;
  • некоторые токсичные компоненты стоков способны привести к гибели микробиоты;
  • иногда необходима доочистка стоков.

Описание анаэробного биореактора

Самый важный фактор, влияющий на производительность анаэробного биореактора и продолжительность обработки – концентрация микроорганизмов в реакционном объеме.

В биореакторах низкая удельная метаболическая активность метановых бактерий компенсируется высокой концентрацией биомассы, показатель сухой массы активного ила может достигать серьезных значений (до 100 кг/м3), недостижимых в аэробных установках из-за лимитации роста и размножения микроорганизмов кислородом.

Методы удержания биомассы в биореакторе:

  • создание биопленки на поверхности частиц;
  • удержание флокул биомассы в пустотах загрузочного вещества;
  • фильтрация воды через синтетические мембраны;
  • применение газоилоотделительных устройств, формирующих флокулы и гранулы.

Наиболее распространены анаэробные биореакторы:

  • с прикрепленной биомассой − биофильтры с неподвижным слоем загрузки;
  • с гранулированной биомассой активного ила;
  • комбинированные.

В качестве загрузки для закрепления биопленки используются:

  • элементы из пластика или керамики;
  • гранулы из вспененных и композиционных материалов;
  • пенополиуретан;
  • активированный уголь;
  • изделия из обожженного пористого стекла, стекловолокна или синтетических нитей.

Применение анаэробного биореактора для биологической очистки стоков, загрязненных органикой, приводит к отличным результатам:

  • увеличивается стабильность высокоэффективной биодеградации осадка;
  • сокращается срок сбраживания стоков;
  • улучшается качество очистки стоков;
  • увеличивается выход биогаза;
  • предупреждается вынос активного ила.

Метановое брожение раньше применялось только для обезвреживания осадков стоков, так как продолжительный процесс (несколько суток) требовал внушительных объемов устройств.

Затем выяснилось, что при создании определенных условий в биореакторах возможно формирование гранулированного ила, который обеспечивает процесс биодеструкции загрязнений всего за несколько часов.

Образование биогранул в биореакторе – уникальная самоорганизация метаногенного микробного сообщества. Агрегаты биомассы формируются в результате процессов, про­исходящих на границе раздела жидкой и твердой фаз – микробиологических, химических, физических процессов.

По промежуточным формам выделяются 3 группы гранул:

  1. Компактные плотные гранулы сферической или дисковидной формы из нитей метаносаеты. Образуются в присутствии субстрата с высокой концентрацией летучих жирных кислот.
  2. Крупные и менее плотные гранулы-сферы, содержащие различные группы анаэробов. Образуются при обработке стоков молочной, пивоваренной промышленности.
  3. Небольшие рыхлые округлые гранулы с метаносарцинами в основе. Образуются в высоконагружаемых очистных установках, обрабатывающих стоки, загрязненные навозом или винные сточные растворы.

Все виды гранул имеют на поверхности поры для транспорта субстрата и выхода биогаза.

Устройство

В верхней части биореактора установлены:

  • ячеистый резервуар-цилиндр;
  • квадратная насадка для удерживания анаэробных микроорганизмов;
  • переливной лоток;
  • отделитель биологической массы и биологического газа;
  • камера сбора биогаза;
  • герметичная крышка с газовым колпаком.

При этом отделитель биомассы и биогаза находится в насадке, а перегородка образует в насадке камеру сбора биогаза и отделения пены.

Фото 5

Квадратная форма насадки и размещение в ней отделителя не только упрощает монтаж и обслуживание реактора, но и предотвращает вынос активного ила из устройства, что способствует увеличению объема биомассы в зоне брожения, сокращая этим период сбраживания органики.

Герметичность крышки препятствует потере биогаза, предупреждает загрязнение окружающей среды.

Наличие специальной камеры сбора биогаза и отделения пены интенсифицирует выделение биогаза, уменьшает его влажность.

В нижнем отсеке биореактора находится коллектор распределения сточной жидкости. Кроме того, в устройстве предусмотрен трубопровод для ввода и отвода осадка, перетока сбраживаемого осадка по ячейкам. Для интенсивного массообмена между микробной средой и сбраживаемым осадком вмонтированы газлифты рециркуляции осадка.

Газлифты запитываются биогазом от:

  • компрессора по газопроводу из газового колпака;
  • барботеров, установленных на днище емкости под газлифтными трубами с насадкой.

Как работает?

Алгоритм работы биореактора:

  1. Сточная жидкость непрерывно подается насосом через распределительный коллектор на участок сбраживания.
  2. Вода постепенно поднимается, преодолевая слой гранулированного активного ила (размер гранул около 3 мм). Гранулы почти полностью состоят из метаногенов рода Methanotrix, питающихся растворимой органикой. Метаногены имеют вид плотных структур в виде клубочков.
  3. В результате жизнедеятельности микроорганизмов поверхность гранул покрывается тонким слоем пузырьков биогаза – биомасса в зоне брожения становится подвижной.
  4. Происходит взаимное трение гранул, пузырьки отрываются, увеличиваются и направляются вверх. Движение имеет вертикальную направленность, поэтому пузырьки не могут проникнуть в отстойник, а поступают сначала в отделитель, затем в камеру, где освобождаются от пены. Биогаз отводится через газовую трубу для использования, например, в котельную предприятия.
  5. Часть гранул, сфлотированных пузырьками биогаза, полностью освобождаются от остатков газа, опускаются в зону брожения.
  6. Очищенные стоки, освобожденные от микробной биомассы, отводятся из устройства через переливной лоток.
  7. Воды через гидрозатвор самотеком направляются в аэротенк на доочистку.
  8. Избыточный активный ил периодически удаляется через трубопровод.

Полезное видео

В видео ролике подробно и доступно описан процесс анаэробной очистки сточных вод:

Заключение

Все методы очистки стоков имеют преимущества и недостатки, анаэробный – не исключение. При выборе наиболее подходящей технологии учитывают деятельность предприятия, типичный состав загрязнений, возможность осуществления постоянного контроля процесса.

Анаэробные системы отличаются экономичностью, однако наиболее действенны при серьезных загрязнениях.