Метантенки и септиктенки

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования

«Южно-Уральский государственный университет»

(Национальный исследовательский университет)

Институт естественных и точных наук

Факультет «Химический»

Кафедра «Экология и химическая технология»

РЕФЕРАТ

По дисциплине «Биотехнология»

Метантенки и септиктенки

А.М. Кострюкова

Челябинск 2019



АННОТАЦИЯ

Целью данной работы является ознакомление с такими элементами систем очистки вод как метантенки и септиктенки.

Задачи работы:

Рассмотреть методы биологической очистки в целом.

Изучить септиктенки.

Изучить метантенки.

В данной работе анализируется и изучается литературный обзор по данной теме.



ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. АНАЭРОБНАЯ ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД

2. СЕПТИКТЕНКИ

3. МЕТАНТЕНКИ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК



ВВЕДЕНИЕ

Биохимические методы используются для очистки хозяйственно-бытовых и промышленных стоков от растворенных органических веществ и некоторых неорганических (аммоний, нитриты, нитраты).

Процесс изъятия из сточных вод загрязняющих веществ микроорганизмами сложен и до конца не изучен [1]. Согласно современным теориям, этот процесс включает в себя следующие стадии:

1) массообмен и сорбция субстрата на поверхности микроорганизмов;

2) диффузия субстрата через клеточную мембрану микроорганизмов;

3) метаболизм субстрата в клетках.

Суспендированные вещества и крупные молекулы, находящиеся в очищаемой воде, надо заранее разрушить, так как они не смогут пройти через клеточную оболочку [1].

Способы переноса вещества от поверхности клетки внутрь:

1) диффундирование внутрь клетки при последовательном растворении вещества сначала в оболочке клетки и потом в цитоплазматической мембране;

2) присоединение вещества к находящемуся в мембране клетки специфическому белку-переносчику; переход комплекса вещество-переносчик в растворимое состояние; диффузия комплекса через мембрану в клетку, где комплекс распадается, и белок-переносчик высвобождается для совершения нового цикла.

Достоинства биохимических методов очистки:

удаление широкого спектра органических и неорганических соединений;

простота конструкций;

небольшие расходы на эксплуатацию.

1. АНАЭРОБНАЯ ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД

Процессы, используемые в биологической очистке, по использованию кислорода можно поделить на:

аэробные, где для окисления веществ микроорганизмы используют кислород;

анаэробные, при которых кислород микроорганизмами не используется.

В анаэробных процессах используются отстойники (септиктенки и метантенки), в которых ил подвергается анаэробной деградации. Время пребывания в них очищаемых стоков - около 20 дней.

Анаэробная очистка происходит по следующему пути (рисунок 1):



Рисунок 1 - Пути биодеградации субстрата при анаэробном сбраживании

Ферментативный гидролиз, в котором участвуют быстрорастущие факультативные анаэробы - гидролитические (кислото-, ацидогенные (кислотопродуцирущие) бактерии) - Eubacterium, Clostridium, Acetobacterium, Bacteroides, Bifidobacteria, Streptococcus. При этом с помощью экзоферментов (ферменты, оказывающие свое действие за пределами той клетки, где они образовались) сложные многоуглеродные соединения (белки, липиды и полисахариды) расщепляются на более простые растворенные. Оптимальное pH - 6,5-7,5.

Ацидогенез (кислотогенез), в котором принимают участие гидролитические бактерии. При этом происходит выделение летучих жирных кислот, аминокислот, спиртов, водорода и углекислого газа.

Ацетогенез. Задействованы гетероацетогенные бактерии. Происходит превращение летучих жирных кислот, аминокислот и спиртов в уксусную кислоту.

Участвуют 2 группы бактерий:

ацетогены, образующие водород - ферментируют моносахариды, спирты и органические кислоты с образованием Н2, СО2, низших жирных кислот, в основном ацетата, спиртов и некоторых других низкомолекулярных соединений.

CH3CH2COOH + 2H2O = CH3COOH + CO2 + 3H2

ацетогены, использующие водород - усваивают Н2 и СО2, а также некоторые одноуглеродные соединения через стадию образования ацетил-кофермент А и превращения его в низкомолекулярные кислоты, в основном в ацетат.

2CO2 + 4H2 = CH3COOH + 2H2O

Метаногенез (метаногенные бактерии - Methanobacterium, Methanospirillum, Methanococcus, Methanosarcina, Methanosaeta (Methanothrix)). осуществляется медленнорастущими строгими анаэробами, очень чувствительными к изменениям условий среды, особенно температуре и рН менее 7,0-7,5.

Участвуют 2 группы бактерий:

метаногены, расщепляющие ацетат (70 % метана).

CH3COOH = CO2 + СH4

метаногены, восстанавливающие диоксид углерода (30 % метана).

CO2 + 4H2 = CH4 + 2H2O

Преимущества анаэробной очистки воды:

- нет проблем с утилизацией большого количества образовавшегося активного ила;

- большая часть энергии процесса - 89 % - идёт на образование метана;

- конструкция сооружений проще в сравнении с аэробными способами очистки.

Недостатки анаэробных способов очистки:

- очистка возможна только при небольших количествах субстрата;

- небольшая скорость прироста биомассы.

Основным достоинством анаэробного способа биоочистки является высокая степень переработки углерода загрязняющих веществ при небольшом приросте биомассы. Анаэробные микроорганизмы получают энергию от переработки органических веществ. Но получаемой энергии мало, поэтому микроорганизмы вынуждены перерабатывать огромное количество веществ. Но, чем меньше термохимический эффект реакции, тем хуже происходят рост и размножение микроорганизмов [2]. Немаловажным достоинством в том числе является образование ценного продукта процесса - биогаза (смесь из метана и углекислого газа).

Анаэробный способ очистки применим, в основном, при небольших концентрациях загрязняющих веществ, поэтому перед подачей воды в метантенки и септиктенки необходимо провести дополнительные ступени очистки для достижения необходимого уровня концентрации загрязняющих веществ. К тому же, после прохождения воды через сооружения биоочистки требуется дополнительная доочистка, например, ультрафиолетовым излучением [2]. Схема комплекса сооружений представлена на рисунке 2.

Рисунок 2 - Комплекс сооружений для очистки вод:

1 - решетки; 2 - песколовки; 3 - первичные отстойники; 4 - биореакторы; 5 - вторичные отстойники; 6 - ультрафиолетовое обеззараживание; 7 - река [3]

2. СЕПТИКТЕНКИ

Отстойники, требующие каждодневного удаления оседающего в них ила, в конце прошлого столетия стали заменять на отстойники, в которых ил помимо оседания подвергается перегниванию [3]. Такие отстойники называются септиктенками или септиками [4].

Септиктенк представляет из себя горизонтальный отстойник, через который протекает с невысокой скоростью очищаемая жидкость, образующийся при этом осадок остается в течение долгого времени до полного перегнивания. Для примера на рисунке 3 представлен двухкамерный септиктенк.

Рисунок 3 - Двухкамерный септиктенк:

1 - регулятор, 2 - отражатель, 3 - напорный трубопровод, 4 - уклон

Септиктенки перерабатывают осадки, которые оседают в первичных отстойниках, пену и активный ил из вторичных отстойников.

Для поддержания рабочей активности микроорганизмов септиктенки работают при температуре ниже, чем 25 °С.

Количество времени, которое микроорганизмы будут находиться в септиктенке, определяется частотой удаления активного ила (обезыливания) [4].

Для того чтобы процесс минерализации протекал успешно, необходимо постоянные перемешивание бродящей массы и разбавление иловой жидкости свежей водой. В септиктенке же перемешивание отсутствует, в бродящей массе накапливаются продукты обмена, способные наносить вред микроорганизмам, поэтому процессы минерализации протекают медленно [5].

В септиктенках может образовываться корка (рисунок 4) [5]. Газы, образующиеся в результате брожения, поднимаются наверх, увлекая за собой частички ила. Также осадок расслаивается со временем в принципе [6]. Всплывшие частицы слипаются, уплотняются, образуя корку, на которой селятся плесневые грибы, пронизывая это образование своими гифами, ещё больше скрепляя корку. Эта корка может достигать в толщину 1 м. Образование корки затрудняет эксплуатацию септиктенков, особенно во время чистки, производимый несколько раз в год.

Рисунок 4 - Корка в септиктенке

С другой стороны, благодаря образованию корки улучшается температурный режим внутри септиктенка [6]. Кроме того, на этой корке селятся аэробные организмы, активно потребляющие кислород из воды, поступающей в септиктенк. Это создаёт благоприятные условия для анаэробных организмов, занимающихся разложением осадка.

Преимущество септиктенков: после них объём осадка уменьшается в 2 раза за счёт уплотнения и разложения, не имеет запаха, а также после септиктенков осадок легче отдает воду во время сушки. Сами аппараты просты и надёжны в действии.

Недостатком данных аппаратов является то, что вода в них насыщается сероводородом, вследствие чего имеет неприятный запах. Также наличие сероводорода негативно сказывается на прочности и долговечности септиктенков, особенно сделанных из бетона.

Сточная вода насыщается сероводородом, метаном, углекислым газом, водородом, аммиаком. Кроме того, в ней содержится значительное количество летучих жирных кислот, накапливающихся при анаэробном распаде клетчатки и сбраживании углеводов. Дальнейшая очистка такой воды чрезвычайно затруднительна.

Так как подача свежего осадка ведется непрерывно, часто загрязняющие органические вещества окисляются только до жирных кислот. Последующего разложения на метан и углекислый газ не происходит. Накопление кислот, в свою очередь, ведет к торможению процесса брожения.

С точки зрения обеззараживания обработка воды в септиктенке не даёт никаких гарантий безопасности: в воде могут остаться патогенные микроорганизмы и яйца паразитических червей.

В настоящее время область применения септиктенков ограничена [7]. Они используются в очистных сооружениях, обслуживающих небольшое количество населения. В случае устройства в городах сооружений малой канализации, иногда по характеру рельефа местности (например, в горах), является экономически нецелесообразным устройство общегородской канализации. В таком случае строится малая канализация, в которой септиктенки являются основным средством переработки твёрдой фазы сточных вод.

3. МЕТАНТЕНКИ

Первые опыты с метановым брожением канализационных вод начались еще в конце XIX века. В середине 1920-х гг. началась промышленная эксплуатация метантенков в США, Германии, Великобритании и СССР.

Метантенки - более совершенные сооружения для сбраживания осадка. Это железобетонный резервуар, обычно глубиной 3-5 м, порой достаточно объёмный, до нескольких тысяч кубометров, предназначенный для переработки в анаэробных условиях осадка и избыточного ила аэротенков.

Метантенк может быть частично или полностью расположен в земле. Дно метантенка имеет значительный уклон по направлению к центру. Стенки и дно метантенка, как правило, выполняются из железобетона. На рисунке 5 для примера представлена конструкция метантенка Курьяновской станции очистки сточных вод. Её основные параметры: диаметр 24 м, глубина 19,6 м, полезный объем 5200 м3, диаметр горловины 4 м, в высоту горловина составляет 2,5 м. Теплоизоляцией служат несколько слоев перхлорвиниловой массы, уложенной на бетон и покрытой цементом. Затем положен полуметровый слой шлака, также покрытый цементом, сверху все покрыто трехслойной кровлей [7]. Подогрев осуществляется острым паром. Для перемешивания используются мешалки.



Рисунок 5 - Заглубленный односекционный метантенк:

1 - мягкая кровля; 2 - кирпич; 3 - теплоизоляция; 4 - смотровой люк; 5, 9 - трубы соответственно для выпуска газа в атмосферу и переливания; 6 - газопровод для газоколпака; 7 - газовые колпаки; 8 - пропеллерная мешкалка; 10, 13 - трубопроводы соответственно для загрузки сырого осадка и для опорожнения метантенка; 11 - днище метантенка; 12 - паровой инжектор для подогрева метантенка [8]

Метантенки могут иметь неподвижное (куполообразное, жесткое) или подвижное (плавающее) перекрытие.

Достоинства метантенков с плавающим перекрытием:

взрывобезопасность (отсутствует риск чрезмерного повышения давления вследствие образования биогаза внутри сооружения);

возможность регулирования загрузки и выгрузки осадка при помощи установления на различной высоте положения плавающего перекрытия.

Недостатком такого перекрытия является затрудненное движение по направляющим роликам в случае низкой температуры воздуха.

В России наиболее распространены метантенки с неподвижными перекрытиями.

Метантенки могут работать в периодическом, непрерывном и полунепрерывном режимах.

Для того, чтобы нагрев осадка проходил равномерно и чтобы смешивание вновь поступившей его порции со сброженной частью было более полным используют искусственное перемешивание с помощью циркуляционных насосов (забирают осадок из нижней части камеры метантенка и подают в верхнюю его часть, представлен на рисунке 6), насоса с гидроэлеватором, схема которого представлена на рисунке 7, или пропеллерными мешалками (для аппаратов с большим объёмом).

Рисунок 6 - Циркуляционный насос

Рисунок 7 - Насос с гидроэлеватором:

1 - труба; 2 - насадка; 3 - струя; 4 - всасывающий патрубок; 5 - смесительная камера; 6 - горловина; 7 - диффузор; 8 - трубопровод



Гидроэлеваторы надёжны в эксплуатации, но у них небольшая производительность [8]. Поэтому их применяют для метантенков с объёмом до 1 700 м3.

Осадок необходимо перемешивать в течение 5-10 часов в сутки.

Так как процесс в метантенках ускоряется за счёт искусственного подогрева и перемешивания, то и объём сооружения требуется меньший. Подогрев осуществляется с помощью парового или водяного радиатора, теплоноситель подается с помощью эжектирующих устройств.

По температурному режиму (виду используемых бактерий) метантенки делятся на: биологическая очистка гидроэлеватор субстрат

психрофильные (до 20 °С);

мезофильные (32-35 °С);

термофильные (52-55 °С).

Мезофильные метантенки являются менее энергоёмкими. Термофильные - позволяют использовать меньший объем. При термофильном сбраживании повышается обеззараживание осадка: погибают патогенные микроорганизмы и яйца гельминтов. Зависимость продолжительности сбраживания от температуры представлена на рисунке 8.

Рисунок 8 - Соотношение температуры и продолжительности сбраживания

В качестве источника тепла может использоваться сжигание метана, выделяющегося в процессе сбраживания. Однако в холодное время года подогрев до 50-55 °С затруднителен, выделяющегося газа может не хватить.

При температуре от 37 до 42 °С процессы брожения замедляются, потому что для термофильных бактерий эта температура слишком низкая для протекания активной жизнедеятельности, а для мезофильных бактерий эта температура слишком высокая.

Выбор температуры определяется условиями работы метантенка: технико_экономическими, санитарно-гигиеническими, природоохранными условиями.

Стоит отметить, что за счёт подвода дополнительного тепла процесс не только ускоряется, но и становится более глубоким, количество выделяющегося газа увеличивается.

В России чаще всего используется подогрев с помощью острого пара (пар непосредственно контактирует с нагреваемым телом). Пар с низким давлением и температурой 110-112 °С подаётся через всасывающую трубу насоса при подаче и перемешивании осадка, смешивается с осадком, конденсируется и охлаждает его. Также часто используется подача пара пароструйным инжектором. В качестве рабочей жидкости используется осадок. Далее он смешивается с паром и подается обратно в метантенк. Таким образом осуществляется и подогрев осадка, и частичное перемешивание содержимого аппарата. В зимний период инжектор должен работать около 11-13 часов, летом, так как температура окружающей среды становится выше, время работы инжектора сокращается до 3-4 часов в сутки. Перегретый пар лучше пропускать через дозирующую камеру.

При подогреве осадка до 70-80 °С идёт его дегельминтизация, что является обязательной составляющей технологического процесса очистки на современных установках. Полученное тепло расходуется в целевом направлении - подогрев осадка до расчетной температуры, а также идет возмещение тепла, уходящего через стенки корпуса метантенка или с отводимыми газами.

Стоит отметить, что осадок можно подогреть и вне метантенка, в теплообменном устройстве.

На сбраживание также могут влиять следующие факторы:

тяжелые металлы (кобальт, медь, никель), а также хром и сернистые соединения, т. к. они оказывают ингибирующие действие на процесс анаэробного сбраживания;

перемешивание, производимое в метантенке, чтобы избегать образования мертвых застойных зон, расслоения осадка, образования корки, отложения песка, чтобы задействовать наибольший объем метантенка, выровнять температуры и концентрации метаболитов (промежуточных субстратов).

Перемешивание осуществляется механическими мешалками, с помощью циркуляции осадка или рециркуляции газа (наиболее эффективный способ, хотя редко используемый в практике). Интенсивность перемешивания не должна быть чересчур высокой, т. к. тогда некоторые бактерии могут потерять связь с субстратом и оторваться от него. Недостаточная интенсивность перемешивания ведет к замедлению скорости процессов. Качественное перемешивание сглаживает неравномерность нагрузок и колебаний загрузки метантенков сырым осадком.

Для автоматизации работы метантенка устанавливают следующие приборы:

прибор, определяющий загазованность воздуха;

термометр;

диафрагма, определяющая расход газа;

рН-метр;

прибор, измеряющий давление (чаще всего манометр);

прибор, измеряющий расход осадка (чаще всего ультразвуковой расходомер);

прибор, измеряющий уровень осадка.

Основным условием работы метантенка является наличие сброженного осадка, густо заселенного микроорганизмами, адаптированными к данному типу загрязнений.

Оптимальными условиями являются:

рН = 7,0…7,2 (если произведено слишком большое количество летучих жирных кислот, уровень рН падает, и процессы брожения замедляются);

содержание жирных летучих кислот 3-8 мг-экв/л;

содержание щелочей 70-76 мг-экв/л;

содержание аммонийных солей азота 600-800 мг/л;

эффективная работа песколовок и первичных отстойников с хорошим уплотнением осадка в последних.

Оптимальные условия проведения для мезофильного температурного режима:

максимальное удаление воды, являющейся балластом в процессе сбраживания, и максимальное сгущение осадка (до концентрации 15 г/л, что связано с достижением максимального соотношения количества подвергаемых распаду органических веществ к времени);

непрерывная загрузка метантенков или хотя бы довольно частая;

поддержание максимально оптимальной температуры 35 °С, несмотря на возможные колебания температуры сырого осадка и окружающей среды;

тщательное перемешивание осадка с бродящей массой и тщательное перемешивание всего объёма самой бродящей массы;

поддержка постоянной нагрузки органических веществ на активную анаэробную микрофлору;

поддержка отсутствия попадания токсичных веществ.

Даже при благоприятных внешних условиях в метантенке могут возникнуть кратковременные внезапные колебания рН, нагрузки и температуры, которые могут быть объяснены самыми разнообразными причинами. Такие изменения сложно уловить в эксплуатации, но о них необходимо знать.

Из 1 м3 осадка может получиться 12-16 м3 газа. Сероводород при отлаженной работе метантенка отсутствует, потому что связывается в виде сульфидов, количество водорода не превышает 0,5 %, количество азота приблизительно составляет 2,2-2,8 %. В среднем поступающий в метантенки объем органического вещества распадается на 40 %. Наиболее подвержены распаду жироподобные вещества и углеводы. Сброженный ил, имеющий высокую влажность, удаляется из метантенка снизу и отправляется на сушку.

Осадок, оставшийся после брожения, содержит органические и неорганические вещества, необходимые для развития растений. По содержанию азотных и фосфорных соединений осадок может составить достойную конкуренцию лучшим естественным удобрениям. Поэтому после дополнительных обезвоживания и сушки осадок может использоваться в качестве удобрения. После высушивания содержание бактерий снижается приблизительно в 4000 раз по сравнению со сточной жидкостью, кишечная палочка полностью отсутствует, что говорит о безопасности осадка в санитарно-гигиеническом отношении.

Возможны две технологические схемы сбраживания:

одноступенчатая (низконагружаемые метантенки);

многоступенчатая, где в качестве первой ступени устанавливают метантенк с мезофильным режимом, а второй ступенью служит открытый метантенк, где преимущественно проходят процессы обезвоживания и уплотнения осадка.

Преимуществом второй схемы является отсутствие расслоения осадка и отделения иловой воды, а также более устойчивый процесс в случае неравномерного притока сточной воды на станцию. Двухступенчатые метантенки рекомендуются для районов со среднегодовой температурой не ниже 6 °С при условии нехватки территорий для размещения иловых площадок.

В районах со среднемесячной температурой воздуха января около -5 °С возможно применение одноступенчатых открытых метантенков без подогрева.

Поиск способов интенсификации работы метантенков ведется в двух направлениях:

совершенствование конструкций, главным образом для того чтобы совместить как можно больше стадий сбраживания в одном аппарате;

исследование и создание более благоприятных условий для используемых анаэробных микроорганизмов.

Наиболее рациональным является использование метантенков по прямоточной схеме, когда загрузка и выгрузка осадка происходят одновременно. Такой режим создает благоприятные температурные условия в метантенке, т. к. исключает переохлаждение бродящей массы от залпового вброса сырого осадка и ила, что обеспечивает равномерное выделение газа в течение суток.



ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Биологическая очистка сточных вод использует микроорганизмы, которые используют в качестве субстратов соединения, являющиеся загрязняющими веществами для сточных вод.

В анаэробных процессах используются отстойники (септиктенки и метантенки), в которых загрязняющие вещества подвергаются анаэробной деградации.

Септиктенк представляет из себя горизонтальный отстойник, через который протекает с невысокой скоростью очищаемая жидкость, образующийся при этом осадок остается в течение долгого времени до полного перегнивания. Септиктенки находят применение в сельских канализациях и в городах в устройстве малой канализации.

Метантенки - более совершенные сооружения для сбраживания осадка. Это железобетонный резервуар, обычно глубиной 3-5 м, порой достаточно объёмный, до нескольких тысяч кубометров. Двухступенчатые метантенки рекомендуются для районов со среднегодовой температурой не ниже 6 °С при условии нехватки территорий для размещения иловых площадок. В районах со среднемесячной температурой воздуха января около -5 °С возможно применение одноступенчатых открытых метантенков без подогрева.

Таким образом, если сконструировать наиболее подходящие для данных условий аппараты, учитывая все необходимые факторы, метантенки и септиктенки будут производить очистку сточных вод на должном уровне.



БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Зайцева, Т.А. Биохимические методы переработки техногенных отходов: учеб. пособие: в 2 ч. - Ч. 1. Биологическая очистка сточных вод в аэротенках / Т.А. Зайцева, Л.В. Рудакова, Е.С. Белик. - Пермь: Изд-во ПНИПУ, 2015. - 226 с.

2. Волова, Т.Г. Биотехнология: монография / Т.Г. Волова. - Новосибирск: Изд-во Сибирского отделения Российской Академии наук, 1999. - 252 с.

3. Добрынина, О.М. Технологические аспекты получения биогаза / О.М. Добрынина, Е.В. Калинина // Вестник Пермского государственного технического университета. Охрана окружающей среды, транспорт, безопасность жизнедеятельности. - 2010. - № 2. - С. 33-40.

4. Химия и микробиология природных и сточных вод: учебное пособие / И.В. Вольф, Н.И. Ткаченко; под ред. М.Ф. Максимова. - СПб: Изд-во ЛГУ, 2001. - 239 с.

5. Воронов, Ю.В. Водоотведение и очистка сточных вод: учебник для вузов: / Ю.В. Воронов, С.В. Яковлев. - М.: Изд-во Ассоциации строительных вузов, 2006. - 704 с.

6. Теплотехника: учебник для вузов по направлению "Агроинженерия" / Р.А. Амерханов, Б.Х. Драганов, - 2-е изд., перераб. и доп. - М: Энергоатомиздат, 2006. - 431 с.

7. Основы экологии: учеб. пособие / А.А. Челноков, Л.Ф. Ющенко, И.Н. Жмыхов; под ред. А. А. Челнокова. - Минск: Изд-во: Высш. шк., 2012. - 543 с.

8. Вайсман, Я.И. Микробиология и основы биотехнологии: учеб. пособие / Я.И. Вайсман, Т.А. Зайцева, Л.В. Рудакова. - Пермь: Изд-во ПНИПУ, 2008. - 203 с.

Размещено на Allbest.ru