CC BY
72
Запропоновано нову екологiчно безпечну тех-нологю стаб^заци осадiв побутових стотв авiа-тдприемств шляхом анаеробного зброджування. Технологiя дозволяв ттенсифшувати бродтня сут-тево скоротивши його загальш термти та зроби-ти процес економiчно окупним. Технологiя дозволяв отримувати товарний вуглекислий газ, екологiчно безпечне оргашчне добриво для стьського господар-ства та бюгаз з суттево бшьшою концентращею метану порiвняно з ^нуючими технологiями
Ключовi слова: авiапiдприемство, бюгаз, ттен-сифтащя, метантенк, осад стiчних вод, технологiя
анаеробного бродтня
□-□
Предложена новая экологически безопасная технология стабилизации осадков бытовых стоков авиапредприятий путем анаэробного сбраживания. Технология позволяет интенсифицировать брожение, существенно сократить его общую продолжительность и сделать процесс экономически окупаемым. Технология позволяет получать товарный углекислый газ, экологически безопасные органические удобрения для сельского хозяйства и биогаз с существенно большей концентрацией метана по сравнению с существующими технологиями
Ключевые слова: авиапредприятие, биогаз, интенсификация, метантенк, осадок сточных вод, технология анаэробного брожения
УДК 628.336.5
|DOI: 10.15587/1729-4061.2015.522641
ЕНЕРГОЕФЕКТИВНА ТА ЕКОЛОГ1ЧНО БЕЗПЕЧНА ТЕХНОЛОГ1Я СТАБ1Л1ЗАЦ11 ОСАД1В СТ1ЧНИХ ВОД АВ!АП!ДПРИеМСТВ
С. Й. Шаманський
Кандидат техычних наук* E-mail: [email protected] С. В. Бойченко
Доктор техшчних наук, професор, завщувач кафедри* E-mail: [email protected] *Кафедра екологп Нацюнальний авiацiйний уыверситет пр. Космонавта Комарова, 1, м. КиТв, УкраТна, 03680
1. Вступ
На очисних спорудах господарчо-побутових спч-них вод aBian^np^MCTB утворюються значна юль-юсть рiзних осадiв. Це вщходи, що затримуються решиками (незначна кiлькiсть), сирий осад первинних вщстшниюв, активний мул, чи бiоплiвка, що утворю-еться в спорудах аеробного бюлопчного очищення стiчноi води та видаляеться з вторинних вщстшниюв.
Загальний об'ем осадiв складае близько 1 % вщ об'ему стiчноi води, що очищуеться. 1х склад може змь нювати, але в щлому вони мiстять беззольну частину (оргашчш сполуки) - вiд 60 до 90 % та зольну частину (неоргашчш сполуки) - вщ 10 до 40 %. Беззольна части-на складаеться переважно з бшюв, вуглеводiв та жирiв -разом ввд 80 до 85 %. 1х спiввiдношення можуть суттево вiдрiзнятися. Решта 15...20 % це лiгнинно-гумусовi з'ед-нання [1]. Пошук ефективних методiв утилiзацii цих осадiв е актуальним та невiдкладним завданням.
2. Аналiз лiтературних даних i постановка проблеми
1снуе багато методiв утилiзацii осадiв [2, 3] таю, як: спалювання в спецiальних печах; висушування, спещ-альна обробка та використання в якост будiвельного матерiалу; додавання як харчовоi добавки до ращону деяких видiв тварин; удобрювання альськогосподар-ських полiв.
©
Метод спалювання стае зараз поширеним. Спалюють переважно в багатоподових чи барабанних печах та в печах з кип'ячим шаром. Зокрема на Бортницькш станцп ае-рацii проводиться будiвництво лiнii зi спалювання осаду спчних вод м. Киева. При спалювант вiдбуваеться окис-лення оргашчних речовин в осадi i утворюеться зола, яка може бути використана для рiзних цiлей, наприклад як присадка до нових порцш осадiв перед 'iх зневодненням. Це дозволяе знижувати витрату шших реагентiв.
Проте метод спалювання мае недолжи. Зокрема економiчний фактор. Вiн суттево залежить вщ вмк> ту та складу беззольно'1 речовини та вологостi осаду. Нижча теплота згоряння осадiв побутових спчних вод коливаеться в межах 16,8...27,4 МДж/кг беззольно'1 речовини. Волопсть ущiльнених осадiв коливаеться у межах 96.98 % Питома витрата енергп на випарову-вання складае 4,2 МДж/кг води. Тобто для випарову-вання вологи може бути потрiбно б^ьше теплоти, нiж 11 вид^яеться при згоряннi беззольно'1 частини. За таких умов для спалювання потрiбна додаткова витрата палива. Тобто процес е екош^чно неокупним.
Для використання осадiв у будiвництвi також по-трiбна енергозатратна попередня обробка, зокрема висушування.
Як харчову добавку для тварин можна використо-вувати лише активний мул, в якому е багато б^юв та виамжв, серед яких особливо багато виамшу В12.
Одним з найбшьш економiчно випдних може бути використання як активного мулу, так i осадiв первин-
них вщстшниюв для удобрювання альськогосподар-ських полiв. Цi осади мiстять значну юльюсть цiнних елементiв: калiй, фосфор, азот тощо. Разом з тим вони можуть мштити значну юльюсть патогенних мжроор-ганiзмiв, а також солi важких металiв. KpiM того ^pi осади схильнi до загнивання.
Наявшсть великоï кiлькостi оpганiчних сполук робить ефективним анаеробне зброджування осадiв в метантенках. Таке зброджування усувае небезпеку по-дальшого загнивання, а за умови здшснення процесу в термофшьних умовах, знищуе бiльше 98 % патогенних мiкpооpганiзмiв. Бiогаз, що при цьому отримуеться, дозволяе частково забезпечувати власш потреби очис-них споруд в енергоноаях, а iнодi i поставляти його на ринок [4, 5]. Зброджування не знижуе вмшт солей важких металiв в осадах. Б^ьше того, через токсич-нiсть для анаеpобноï мiкpофлоpи щ солi сповiльнюють бpодильнi процеси [6]. Таким чином перед зброджу-ванням необхщно проводити попередне очищення осадiв вiд цих солей. Потpiбно сказати, що солi важких металiв несуть у собi небезпеку майже при уах методах утилiзацiï осадiв (при спалюваннi разом з продуктами згоряння важк метали надходять у атмосферу, при використанш як хаpчовоï добавки - опиняються у оргашзмах тварин тощо). Тому таке очищення е по-тpiбним майже завжди.
Головним недолжом методу анаеробного зброджування е те, що iснуючi технологи бродшня, а, вщпо-вiдно i констpукцiï метантенкiв, е недосконалими. Процеси бродшня займають досить тривалий час, ме-тантенки конструюються великоï емностi з тривалим часом перебуванш осадiв у них, а вихщ бiогазу при цьому е незначним. В реальних умовах спалювання от-римуваного бiогазу часто не покривае енергозатрат на температурну стабШзащю осадiв протягом бpодiння.
Актуальним завданням е розробка нових техно-логш зброджування, якi Грунтуються на результатах останшх наукових дослiджень бiохiмiчних та мжробь ологiчних пpоцесiв, що вщбуваються пiд час анаеробного бродшня [7, 8].
1снуе велика piзноманiтнiсть констpукцiй метан-тенкiв, якi класифжують за piзними ознаками [9]. 1снуе також значна кiлькiсть методiв штенсифжацп бродильних пpоцесiв у метантенках яю об'еднують у двi групи: мжробюлопчш та конструктивно-техноло-гiчнi [10, 11].
Мжробюлопчш методи iнтенсифiкацiï включають:
- метод сумкного зброджування piзних вiдходiв. Пiдбиpаються такi комбiнацiï вiдходiв, як покращу-ють характеристики бpодiння. При цьому вщходи, що додаються не повинш погipшувати якостi стабШзова-ного осаду як добрива);
- використання стимулюючих добавок (у приготовлений для бродшня субстрат додаються оргашч-m каталiзатоpи, наприклад «мелафен», як змiнюють спiввiдношення вуглецю та азоту у субстрат^ набли-жуючи його до оптимального) [12];
- селекщя нових культур анаеробних мжроорга-нiзмiв (японська фipма «Matsushita Electric Industrial Co» вивела нову культуру метаногенних бактерш Methanobacterium kadomensis St.23, яка за даними [7] здатна значно скорочувати тривалшть бродшня);
- iммобiлiзацiя анаеробних мiкpооpганiзмiв все-pединi метантенка (застосовуеться адгезшне та аб-
сорбцшне закрiплення бiомаси на поверхнi шертних матерiалiв [13, 14]. При цьому як матерiал для закрь плення можна використовувати галечник, керамзит, скловолокно тощо [15].
Конструктивно-технолопчш методи штенсифжа-цп включають [16]:
- пошук оптимальних режимiв перемiшування (швидше вив^ьнюеться продукований бiогаз, попе-реджуеться утворення коринки та випадшня деяких речовин у осад, вирiвнюеться температура та забезпе-чуеться рiвномiрний розподiл популяцш бактерiй по об'ему реактора, попереджуеться утворення пустот та скупчень, яю зменшують ефективний об'ем реактора);
- використання ультразвукових та гiдродинамiч-них кавиацшних деструкторiв, кислот, лугiв, нагрь вання до високих температур тощо, яю пришвидшу-ють процеси гiдролiзу органiки);
- здiйснення бродiння постадшно з врахуванням особливостей мiкробiологii та бюхiмii кожно1 стадii (деякi автори зазначають, що це складно реалiзувати технiчно, оскiльки для цього потрiбно значне усклад-нення конструкцii метантенка, або застосування до-даткових складних апарапв [9]).
3. Мета i задачi дослiдження
Метою дослiдження е аналiз методiв штенсифжа-ци анаеробного бродшня i розробка енеpгоефективноï та еколопчно безпечноï технологи зброджування оса-дiв побутових стiчних вод авiапiдпpиемств.
Для досягнення поставленоï мети були поставлен наступнi завдання:
- дослщити процеси, що вiдбуваються на piзних стадiях анаеробного бpодiння;
- визначити оптимальш параметри середовища на кожнш стадiï та запропонувати методи штенсифжацп кожноï стадiï;
- розробити технолопчну схему зброджування осадiв.
4. Методи дослщження стадiй анаеробного бродiння
Шд час дослiдження використано системний пщхщ до аналiзу методiв iнтенсифiкацiï та формування тех-нологiчних вимог до процеав бpодiння. Використано дедуктивнi методи дослщження чотирьох piзних ста-дш анаеробного бpодiння та оптимальних паpаметpiв для '¿х проходження. Також використано шдуктивш методи формування нового технолопчного процесу та його складових.
5. Результати дослщження стадш анаеробного бродiння
При метановому бродшш оpганiчнi сполуки роз-кладаються в анаеробних умовах до кшцевих продук-тiв, основними з яких е метан та вуглекислий газ. За сприятливих умов у щ гази може перетворюватися до 95 % оргашки, яка розклалася. Останш дослщження, що пояснюють особливост впливу piзних фактоpiв на бpодiння, дозволяють застосовувати новi пiдходи до
оргашзацп цих процеав з метою iх iнтенсифiкацii у промислових масштабах i створювати новi технологii та конструкцп реакторiв.
Кiлькiсний та якiсний склад анаеробшл мжрофло-ри, а також актившсть та швидкiсть розмноження мь кроорганiзмiв значною мiрою залежить вщ складу оса-дiв та умов, що створюються у метантенку. Але в щлому, метаболiчнi процеси, що вщбуваються протягом бродшня, пщпорядковуються одним правилам. На вщмшу вщ бiльшостi аеробних процесiв, де мжрооргашзми спiвiснують за принципом хижак-жертва, в анаеробних процесах продукти життедiяльностi одних мжроорга-нiзмiв стають поживними елементами для шших [16]. В результат бродiння можна розглядати як незалежш, практично послiдовнi метаболiчнi процеси рiзних груп бактерiй [17]. Серед них видшяють чотири основних групи. Перша група (гщролггична) - мiкроорганiзми, що викликають гiдролiз складних органiчних речовин до бшьш простих, розчинних у водi i тому доступних для подальшого бродiння. При цьому б^ки гiдролiзу-ють у розчиннi пептони, вуглеводш гiдролiзують спо-чатку до полiсахаридiв, потiм до олiгосахаридiв i потiм до моносахаридiв. Жири гiдролiзуються до глiцеридiв, фосфолiпiдiв тощо. Друга група (кислотогенна) - мь крооргашзми, якi, використовуючи продукти гiдролiзу, утворюють спочатку низькомолекулярш пептиди та амшокислоти, потiм леткi жирнi кислоти та спирти, а також довголанцюговi жирш кислоти. Третя група (ацетогенна) - мжрооргашзми, котрi використовують кислоти та спирти для утворення перш за все ацетату (оцтовоi кислоти). Четверта група (метаногенна) - мь крооргашзми, що виробляють метан з продукпв жит-тедiяльностi ацетогенних бактерш.
Активнiсть цих груп мiкроорганiзмiв залежать вщ параметрiв середовища. Серед них рН середовища, його температура, концентращя кисню, наявнiсть, чи вiдсутнiсть шших речовин. Для рiзних груп бактерш оптимальш значення цих параметрiв, як правило, рiзнi [18, 19].
Iснуючi технологii передбачають переважно таку оргашзащю процесу: одноступеневе зброджування (усi процеси вщбуваються у однш емностi); двосту-пеневе зброджування (перша емнiсть призначена для штенсивного бродiння та штенсивного газовидiлення, друга для згасання процесу i розшарування осаду на стабШзований субстрат та мулову воду); багатосту-пiнчасте зброджування (додаються додатковi емносп, в яких переважно вiдбуваеться повшше ущiльнення збродженого осаду). Дво- та багатоступеневi техноло-гii мають ту перевагу, що дозволяють зменшити об'еми збродженого осаду за рахунок кращого вщведення муловоi води i тим самим зменшити об'еми споруд для подальшого зневоднення осадiв. Але таю технологи зб^ьшують об'еми i ускладнюють конструкцп самих метантенюв суттево не покращуючи при параметрiв самого процесу бродшня. Основна частина процесу все одно вщбуваеться в емност першого ступеня, в якш намагаються створити сприятливi умови для бiльш вибагливих та пов^ьно ростучих мжроорга-нiзмiв, якими е метановi бактерii. Щ умови пригш-чують дiяльнiсть кислототворних бактерш, осюльки сприятливi умови для них е рiзними. Результатом е те, що кислотоутворення спов^ьнюеться, юльюсть про-дуктiв життедiяльностi кислотогенiв зменшуеться.
Щ продукти е джерелом живлення для ацетогенних, а далi для метаногенних бактерш тому юнцевий вихщ бюгазу зменшуеться. Якщо створюються умови, б^ьш спpиятливi для кислотоутворюючих мiкpооpганiзмiв, кiлькiсть кислот у метантенку зб^ьшуеться, суттево знижуеться рН середовища, що шпбуе дiяльнiсть ме-таноутворюючих бактерш. Тому у метантенку, як правило, намагаються створити пбридш умови, досягнувши певноï piвноваги мiж активнiстю кислототворних та метанотворних бактерш. Очевидно, що такий пщхщ не мае багато pезеpвiв подальшого розвитку. Разом з тим проведет дослщження свщчать, що швидюсть росту кислотоутворюючих та метаноутворюючих бак-терш, що беруть участь у процесах бродшня суттево зб^ьшуеться, якщо '¿х вщд^ити у пpостоpi [16]. На пiдставi виконаних дослiджень можна також робити висновки про оптимальш параметри середовища, не-обхщш для активного росту та дiяльностi не тiльки кислотоутворюючих i метаноутворюючих, але i шших груп бактерш, що здшснюють piзнi метаболiчнi процеси протягом бродшня [20-24].
У цш pоботi пропонуеться еколопчно безпечна та енергоефективна технолопя анаеробного зброджування осадiв з розпод^ом усього процесу на чотири по-слiдовнi стадп: гiдpолiзу, ацетогенезу, кислотогенезу, метаногенезу та проведенням кожноï стадп в окpемiй iзольованiй емноси, а також створенням у кожнш емностi оптимальних паpаметpiв середовища для пра-цюючих на цiй стадп груп бактерш.
Результати дослщжень показують, що оптимальни-ми умовами для стадп гiдpолiзу е умови, при яких ор-ганiчнi сполуки швидко руйнуються. Для пщвищення iнтенсивностi цього процесу можна застосовувати таю вiдомi методи, як [20]: мехашчне подpiбнення осадiв, додавання до них кислоти, додавання лугу, на^вання до високих температур, опромшення ультразвуком.
Осади, що видаляються з вщстшниюв мiстять до-сить дpiбнi частинки i, можна очжувати, що механiчне подpiбнення, при досить великих енергозатратах, не дасть помггного ефекту.
Додавання лугу дещо краще руйнуе оргашку, шж додавання кислоти. На^вання до високих температур дае хоpошi результати, але також вимагае значних енергетичних затрат.
За даними [20] опромшення ультразвуком мае кра-щий ефект шж уа попередш. Пiд дiею ультразвуку в осадах виникае ультразвукова кавиащя, яка спричи-няе механiчне руйнування оpганiки. При цьому штен-сивнiсть руйнування визначаеться штенсившстю ка-вiтацiï, яка, у свою чергу, визначаеться штенсившстю опромшення. Зб^ьшення штенсивносп опpомiнення пов'язано зi збiльшенням енергетичних затрат. Додавання барботування рщкого середовища газом [21] при одночасному опромшенш дозволяе зб^ьшити iнтен-сивнiсть кавiтацiйних явищ. Це пояснюеться тим, що введет у середовище газовi бульбашки стають центрами зародження кавиацп, штенсифжуючи ïï зi значно меншими додатковими затратами енергп. При цьому за даними [21] константа швидкоси руйнування орга-нiчноï складовоï збiльшуеться до 2,6 pазiв, бiологiчноï складовоï - до 4,3 pазiв.
Пiдвищення тиску в середовишд з одного боку im тенсифiкуе захлопування кавiтацiйних бульбашок, тим самим зб^ьшуе локальне пiдвищення тиску i
сприяе штенсифжацп гiдролiзу, а з шшого боку тд-вищуе кавiтацiйний nopir, утруднюючи саму появу кавiтацiйних бульбашок. За даними [21] оптимальним значенням надлишкового тиску, при якому спостерь гаеться максимальне значення константи швидкосп руйнування opганiки складае 0,5105 Па. У пopiвняннi з веденням процесу при атмосферному тиску константа по оргашчнш складoвiй збiльшуеться до 1,2 рази, а по бюлопчнш складoвiй у 1,5 рази.
Барботаж варто проводити шертним газом, який не мктить кисню, щоб не порушувати анаеробне сере-довище у метантенку. Дощльно використовувати для цього вуглекислий газ, який отримуеться протягом подальшого бpoдiння.
Кислотогент бактеpiï е швидкоростучими i не-вибагливими анаеробами, тому, якщо осади глибо-ко гiдpoлiзoванi, то стадiя кислотогенезу проходить швидко [22]. Головними кшцевими продуктами цiеï стадiï е дoвгoланцюгoвi жиpнi кислоти (ненасиченi СН3(СНп)(СН2)тСООН та насичет СН3(СН2)пСООН), леткi жиpнi кислоти СпНтСООН (пpoпioнoва, масляна тощо), спирти СпНтОН.
На цiй стадiï як пoбiчний продукт видiляеться СО2 та невелика юльюсть Н2. Вiдбуваеться також дезамь нування амiнoкислoт, що утворилися. В результат з вивiльненoï амшогрупи NH2 утворюеться амiак NH3, що видшяеться у виглядi газу. Якщо в осадах мктить-ся «рка, то в наслiдoк сульфатредукцп ïï з'еднань утворюеться сipкoвoдень H2S.
Важливе значення на цiй стадп мае паpцiальний тиск водню, осюльки вiн в значнiй мipi визначае склад кшцевих пpoдуктiв цiеï стадп. При його зб^ьшент кислoтoгеннi бактерп активiзуються, виробляючи ета-нол СН3СН2ОН, пpoпioнoву кислоту СН3СН2СООН, масляну кислоту СН3СН2СН2СООН та ïx сoлi, а також iншi леткi жиpнi кислоти. Через ïx накопичення рН середовища знижуеться i може досягати 5,2.5,0 [16]. При цьому якщо кислотогенну стадж здшснювати при атмосферному тиску то СО2 легко вив^ьняеться i переходить у газoпoдiбну форму. За таких умов метан в емносп практично не утворюеться. Його частка може бути 2.4 % вщ частки СО2.
Отже вид^ятиметься на цш стадп переважно СО2, невелика юльюсть Н2 та CH4, мoжливi також дoмiшки NH2 та H2S.
В тpадицiйниx теxнoлoгiяx зброджування ус цi гази опиняються у вихщному бioгазi i пoгipшують його яюсть, а низьке значення рН середовища, «рководень та амiак дестабiлiзують подальший процес, oскiльки пpигнiчують piст метаногешв [15].
При зниженнi паpцiальнoгo тиску водню кисло-тогенез спoвiльнюеться i активiзуються ацетoгеннi бактерп. Через це недоутворюються кислоти, якi на подальших стадiяx могли б бути конвертованими у метан. В результат кшцевий виxiд метану знижуеться.
Для недопущення цього на цiй стадп пoтpiбнo вводи-ти у емшсть додаткову кiлькiсть водню, щоб тдшмати його паpцiальний тиск i активiзoвувати кислотогенез.
За iнфopмацiею [20] за сприятливих умов стадiя кис-лотоутворення триватиме не бшьше 10 годин. Ознакою завершення кислотогенезу е стабШзащя рН середовища.
Групу ацетогенних мiкpoopганiзмiв д^ять на два види. Перший вид виробляе ацетат, розкладаючи дoвгoланцюгoвi жирш кислоти, леткi жиpнi кислоти,
спирти. Наприклад протонова кислота розкладаеться за формулою
CH3CH2COOH + 2H2O ^ CH3COOH + CO2 + 3H2, (1) масляна кислота за формулою
CH3CH2CH2COOH + 2H2O ^ 2CH3COOH + 2H2. (2)
При цьому вид^яеться значна кiлькiсть вугле-кислого газу та водень. Другий вид виробляе ацетат шляхом вщновлення вуглекислого газу воднем. Це вщбуваеться переважно за формулою
4H2 + 2CO2 ^ CH3COOH + 2H2O. (3)
Дiяльнiсть цих видiв бактерш взаемопов'язана. Надзвичайно важливим при цьому е парщальний тиск водню. За низького парщального тиску активiзуеться перший вид бактерш, який водень виробляе, проте недостатня юльюсть водню стримуе дiяльнiсть другого виду бактерш. При високому парщальному тиску другий вид бактерш активiзуеться, а дiяльнiсть пер-шого виду пpигнiчуеться. Очевидно е його оптимальне значення, при якому обидва види бактерш е актив-ними. За даними [20] таким оптимальним значенням е piвень парщального тиску 10 Па. За даними [15] зниження цього тиску спричиняе лише спов^ьнення другого виду бактерш, тoдi як його тдвищення, навггь незначне, призводить до повшл зупинки дiяльнoстi першого. Тому в емност пoтpiбнo пiдтpимувати парщ-альний тиск водню не б^ьше нiж 10 Па.
За даними [16] при анаеробному бродшш дощльно тдтримувати окислювально-ввдновний пoтенцiал середовища не нижче шж 330 мВ. За нижчих значень утворення водню активiзуеться. На стадп ацетогенезу це може спричинити суттеве шпбування процесу.
За низького значення цього потенщалу активiзу-еться також утворення сульфвдв i, як результат, поява дoдаткoвoï кiлькoстi сipкoвoдню в газoпoдiбниx продуктах бpoдiння.
Ацетогенез дощльно здшснювати при атмосферному тиску, коли СО2 легше видшяеться в газoпoдiбну фазу.
Групу метаногенних мiкpoopганiзмiв (як i ацетогенних) також дшять на два види. Перший - розщеплюе ацетат до метану та вуглекислого газу за формулою
CH3COOH ^ CH4 + CO2. (4)
Другий - вщновлюе вуглекислий газ до метану за формулою
CO2 + 4H2 ^ CH4 + 2H2O. (5)
Ствввдношення мiж кiлькiстю утвореного метану першим та другим видом бактерш складае 72 до 28.
Всередиш цих видiв метаногенш бактерп суттево вiдpiзняються мiж собою за властивостями. Тому '¿х дiлять на три порядки, що включають юлька родин та poдiв. На сьогодш видiленi та oписанi кiлька десятюв poдiв метанових бактеpiй цей список по-стiйнo поповнюеться. Серед них е як мезоф^ьш, так i термофшьш, як автотрофи, так i гетеротрофи. Найб^ьш вивченими на сьогодш можна вважати:
Methanobacterium thermoautotrophicum, Methanosarcina barkerii, Methanobrevibacter ruminantium, Methanotrix, Methanobacterium kadomensis.
Загальною рисою '¿х е те, що вони дуже чутливi до коливань паpаметpiв середовища. Перш за все вони чут-ливi до наявностi кисню. Його концентращя вище нiж 0,01 мг/л спричиняе '¿х загибель. Вони дуже чутливi до коливань температури [18]. При термофшьному pежимi допустиме коливання складае ±0,2 оС. Вони чутливi до динамiчних навантажень, тому не рекомендуеться занадто штенсивне пеpемiшування. Вони чутливi до значення рН середовища. Для нормального функщону-вання рН не повинно виходити за рамки 7,5...8,0.
Позитивний вплив на розмноження метаногешв здшснюе присутшсть у невеликих юлькостях таких мiкpоелементiв, як калiй, натрш, кальцiй, магнiй, кобальт, мщь, бор, цинк, молiбден.
Активiзують метаболiзм метаногенiв бiологiчно активнi добавки [12], зокрема «мелафен» (меламшо-ва иль бiс(оксиметил)фосфiновоï кислоти. Показано експериментально [13], що присутшсть в оргашчних субстратах бiостимулятоpiв типу BIOSTIM-SBCH4 прискорюе '¿х зброджування у 3.4 рази, при цьому концентращя метану у бiогазi збшьшуеться.
Метаногени в цiлому е повшьноростучими ана-еробами. Проте, за даними [23], якщо '¿х вщдшити у пpостоpi вiд кислотогенiв i тим самим усунути '¿х антагошстичш стосунки, метаногени ростуть у юлька pазiв швидше. За даними [16] таким вщдшенням дося-галась сумарна тривалкть ацетогенезу i метаногенезу у межах трьох дiб.
Iснуючi технологи зброджування дозволяють от-римувати бюгаз з вмiстом СО2 до 40 %, тобто паливо невисокоï якость Такий високий вмiст СО2 може бути пояснений тим, що для ефективного функцюнування другого виду метаногешв, яю вщновлюють СО2 до метану за допомогою водню (5), в метантенку недо-статньо саме Н2 [11].
З тдвищенням тиску pозчиннiсть СО2 у водi збшь-шуеться. За даними [25] якщо тиск в метантенку тд-няти до 0,5 МПа, то СО2, який видiляеться внаслiдок функцюнування першого виду метаногешв (4), швид-ко переходить з вiльноï форми у зв'язану, перестае видшятися у виглядi газу, насичуе осад i прискорюе метаболiзм другого виду метаногешв (5). Видшення метану при цьому не залежить вщ тиску, осюльки вш мае погану pозчиннiсть у водi i швидко переходить у вшьний стан.
6. Обговорення результапв та формування ново!' технологй' стабЫзаци
Схема запpопонованоï технологи представлена на рис. 1. Виходячи з викладеного гiдpолiз мае вщбува-тися таким чином (рис. 1). До свiжого осаду з очисних споруд авiапiдпpиемства додаеться частина рецир-кульованого збродженого осаду, взятого на виходi з метантенка (як «закваска»), а також NaOH для початку лужного гiдpолiзу. Сумш подаеться у герметичний гiдpолiзатоp 2. В цей час починаеться опромшюван-ня осаду в гiдpолiзатоpi ультразвуком за допомогою ультразвукового диспергатора 1. Одночасно компре-сором 14 нагштаеться всередину гiдpолiзатоpа через
барботер СО2, який надходить з блоку очистки СО2 5. Барботуючи через осад СО2 накопичуеться у верхнш поpожнинi гiдpолiзатоpа над осадом i через вихщний клапан вщводиться.
Клапан мае пiдтpимувати в гiдpолiзатоpi надлиш-ковий тиск 0,5105 Па, для контролю якого передбачено манометр 3. Додаткового газовидшення в гiдpолiза-TOpi не передбачаеться, тому вщведений СО2 може направлятися на змшування з СО2, отриманим на стадiях кислотогенезу i ацетогенезу та вщводитись як товарний газ у накопичувальш емностi. Протягом гiдpолiзу за допомогою теплогенеpуючоï установки 13 осад в гiдpолiзатоpi нагpiваеться до температури 53 оС (подальше бpодiння при термофшьному pежимi). Шс-ля закiнчення гiдpолiзу на виходi до осаду додаеться HCl для вщновлення рН до значення 6,5.7,6.
При достатнш штенсивност обробки осаду трива-лiсть гiдpолiзу може не перевищувати 30 хв [20].
Гiдpолiзований осад з рН 6,5.7,6 подаеться у ем-шсть з барботером для кислотогенезу. В емноси вста-новлюеться атмосферний тиск, а у барботер подаеть-ся водень, який розпилюючись барботуе кpiзь осад, перемшуючи його та збiльшуючи свiй парщальний тиск у емностi. Водень надходить вщ дiафpагмового електрогенератору водню 11. Газоподiбнi продукти цiеï стадiï разом барботажним воднем збираються у верхнш порожниш емносп i вiдводяться з не'1 через вiдвiдну трубку. Щ продукти подаються на блок очищення СО2 5, де вiдбуваеться очищення вуглекис-лого газу вiд домшок Н2, NН2, СН4, Н2S. Очищений вуглекислий газ направляеться в накопичувальш емност як товарний продукт. Частина СО2 вщбира-еться компресором 4 i нагштаеться для барботування у гiдpолiзатоp 2. Теплогенеруюча установка 12 подае теплову енерпю для стабШзаци температури осаду в кислотогеннш емность Протягом кислотогенноï ста-дiï здшснюеться контроль за piвнем рН середовища. Зупинка зниження piвня рН е ознакою того, що стадiя завершилася.
Шсля цього до осаду додаеться луг (NaOH) для вщновлення рН середовища до значень 7,5.8,0.
Шсля кислотогенезу осад з piвнем рН=7,5.8,0 подаеться у емшсть з барботером для ацетогенезу 6. В емноси встановлюеться атмосферний тиск та окислювально-вщновний потенщал на piвнi 330 мВ. У барботер подаеться вуглекислий газ, який барбо-туючи пеpемiшуе осад i сприяе дiяльностi першого виду ацетогенiв (1). СО2 надходить з блоку очистки 5. Подавання СО2 мае вщбуватися не надто iнтенсивно, щоб не руйнувати фiзичнi контакти мiж ацетогенними бактеpiями, оскiльки при pуйнуваннi цих контакпв '¿х розмноження сповiльнюеться.
Вуглекислий газ (барботажний та той, що виро-бляеться на цш стадiï) разом з вившьненим воднем збираються у верхнш порожниш емносп, а далi вщ-водяться через вiдвiдну трубку. При постшнш подачi та видалення СО2, з емностi видалятиметься i Н2, що знижуватиме його паpцiальний тиск.
За допомогою теплогенеpуючоï установки 12 здшснюеться температурна стабШзащя осаду в емность
Видалений газ направляеться у блок очищення СО2 7, де вуглекислий газ очищуеться вщ домшок Н2. Очищений СО2 вiдводиться у накопичувальш емносп як товарний продукт.
СОа ТОВАРНИЙ
Рис. 1. Технолопчна схема чотиристадшного анаеробного зброджування осадiв спчних вод авiапiдприeмств: 1 — ультразвуковий диспергатор; 2 — гiдролiзатор з барботером; 3 — манометр для вимiрювання тиску в гiдролiзаторi; 4 — емшсть з барботером для кислотогенезу; 5 — блок очищення вуглекислого газу вщ Н2, NН2, СН4, Н2S; 6 — блок очищення вуглекислого газу вiд Н2; 7 — eмнiсть з барботером для ацетогенезу; 8 — емжсть з барботером для метаногенезу; 9 — манометр для вимiрювання тиску у емност для метаногенезу; 10 — компресор для нагжтання вуглекислого газу в гiдролiзатор; 11 — теплогенеруюча установка для поступового нагрiвання осаду в гiдролiзаторi; 12 — теплогенеруюча установка для температурноТ стаб^заци осадiв у емностях для кислотогенезу, ацетогенезу та метаноганезу; 13 — дiафрагмовий електрогенератор водню; 14 — компресор для нагжтання водню у емжсть для метаногенезу
Шсля ацетогенезу, який суттево не змшюе рН середо-вища, до осаду додаеться бюстимулятор типу BЮSTШ-SBCH4, а також мшроелементи (калiй, натрiй, кальцш, магнiй, кобальт, мiдь, бор, цинк, молiбден), пiсля чого осад подаеться у емшсть з барботером для метаногене-зу 8. Компресором 14 у емшсть починае нагштатися водень, який надходить ввд дiафрагмового електрогенератору водню 13. Метан та невелика юльюсть вуглекислого газу, що утворюються в емносп, разом з введеним для барбота-жу воднем збираються у верхнш 11 частинi i ввдводяться через вiдвiдний клапан у трубопроввд транспортування бiогазу. Цей клапан мае бути налаштований на тдтри-мання всередиш емностi тиску 0,5 МПа. Для контролю цього тиску емшсть обладнана манометром 9. За допомо-гою теплогенеруючо'1 установки 12 здшснюеться темпера-турна стабiлiзацiя осаду в емносп протягом метаногенезу.
Частина готового бюгазу вiдбираеться з вiдвiдного трубопроводу i направляеться для спалювання в тепло-генеруючi установки 11 i 12.
Пiсля закiнчення метаногенезу зброджений осад ви-даляеться з емность Його невелика частина по рецирку-ляцiйному трубопроводу направляеться на змшуван-ня з новою порцiею свiжого осаду, який направляеться у гiдролiзатор, в якостi «закваски». Решта збродженого осаду выводиться на зневоднення та подальше викори-стання як оргашчного добрива.
7. Висновки
Одним з найб^ьш перспективним методом утиль зацп осадiв стiчних вод авiапiдприемств, який вщпо-вiдае як економiчним та еколопчним вимогам, можна вважати анаеробне зброджування в метантенках з от-риманням еколопчно безпечного органiчного добрива та енергетично цшного бiогазу.
В результатi виконаних дослщжень:
1. Встановлено, що рiзнi стадп анаеробного бро-дiння для штенсивного протiкання вимагають рiзних умов 1х проведення.
2. Визначено, що одним з основних стльних момен-тiв е вiддiлення кожно'1 стадп у просторi i проведення 11 в окремiй емностi. При цьому в кожнш емностi мае забезпечуватися свш тиск середовища, свiй рiвень рН, додавання сво'1х добавок, що штенсифжують процес тощо.
3. Запропоновано нову технолоНчну схему зброджування, на пiдставi яко'1 описано нову техноло-пю органiзацii цього процесу. Ця технолопя дозволяе зробити процес бiльш економiчним та бiльш екологiч-ним. А саме скоротити процес бродшня з 15-ти до 3-х дiб, при цьому зб^ьшити вихiд бiогазу на одиницю об'ему осадiв та зб^ьшити вмiст метану у вихiдному бiогазi з 60 % до 95 %.
Лиература
1. Яковлев, С. В. Канализация [Текст] / С. В. Яковлев, Я. А. Карелин, А. И. Жуков, С. К. Колобанов. - М.: Стройиздат, 1975. - 632 с.
2. Удалов, Р. В. Экологические аспекты обработки и утилизации осадков сточных вод [Текст] / Р. В. Удалов, Л. В.Андреева // Ученые записки Института СХПР НовГУ. - 2006. - Т. 14. - С. 45-59.
3. Alrawi, R. Methane Production during Start-Up Phase of Mesophilic Semi-Continues Suspended Growth Anaerobic Digester [Text] / R. Alrawi, A. Ahmad, I. Norli, M. AK // International Journal of Chemical Reactor Engineering. - 2010. - Vol. 8, Issue 1. - P. 89. doi: 10.2202/1542-6580.2034
4. Бабаев, В. Н. Энергетический потенциал метанообразования при мезофильном анаэробном разложении органической составляющей отходов [Текст] / В. Н. Бабаев, Н. П. Горох, И. В. Коринько // Восточно-Европейский журнал передовых технологий. - 2011. - Т. 4, № 6 (52). - С. 59-65. - Режим доступа: http://journals.uran.ua/eejet/article/view/1427/1325
5. Фесюк, В. О. Оцшка перспектив добування бюгазу з осад1в стних вод Луцьких мюьких комунальних очисних споруд [Текст] / В. О. Фесюк // Природа Захщного Полюся та прилеглих територш. - 2010. - № 7. - С. 84-90.
6. Altas, L. Inhibitory effect of heavy metals on methane-producing anaerobic granular sludge [Text] / L. Altas // Journal of Hazardous Materials. - 2009. - Vol. 162. - P. 1551-1556. doi: 10.1016/j.jhazmat.2008.06.048
7. Волова, Т. Г. Биотехнология [Текст] / Т. Г. Волова. - Новосибирск: Изд-во Сибирского отделения Российской Академии наук, 1999. - 252 с.
8. Л1сщин, 6 .Ф. Знезаражування осаду канал1зацшних стоюв з отриманням бюгазу у багатосекцшних метантенках [Текст] / 6 .Ф. Л;сщин, С. Й. Шаманський, В. В. Почтовенко // Вюник Хмельницького нацюнального ушверситету. - 2008. - № 4. -С. 107-110.
9. Трахунова, И. А. Повышение эффективности анаеробной переработки органических отходов в метантенке с гидравлическим перемешиванием на основе численного эксперимента [Текст]: автореф. дис. ... канд. техн. наук / И. А. Трахунова. - Казань, 2014. - 19 с.
10. Караева, Ю. В. Обзор биогазовых технологий и методов интенсификации процессов анаэробного сбраживания [Текст] / Ю. В. Караева, И. А. Трахунова // Труды Академэнерго. - 2010. - № 3. - С. 109-127.
11. Ковалев, В. В. Теоретические и практические аспекты совершенствования процессов биогазовой технологии [Текст] / В. В. Ковалев, Д. В. Унгуряну, О. В. Ковалева // Проблемы региональной энергетики. - 2012. - № 1. - С. 102-114.
12. Барский, Е. Л. Эффект мелафена на развитие культур цианобактерий и зеленых микроводорослей в стрессовых условиях [Текст] / Е. Л. Барский, И. О. Шандиева, Я. В. Саванина и др. / Вестник Московского государственного университета. -2011. - № 1. - С. 15-20.
13. Liao, B.Q. Anaerobic membrane bioreactors [Text] / B. Q. Liao, J. T. Kraemer, D. M. Bagley // Application and research directions. Sci. Technol. - 2006. - Vol. 36. - Р. 489-530.
14. Ungureanu, D. Biological wastewater treatment using fixed film "Inovations in the field of water supply, sanitation and water" [Text] / D. Ungureanu // Psper of Conference of the young scientists and researches. Bucharest, 2005. - P. 97-102.
15. Корзникова, М. В. Стратегические аспекты устойчивого управления отходами животноводства и птицеводства в целях минимие зации негативного воздействия на окружающую среду [Текст]: автореф. дис. ... канд. биолог. наук / М. В. Корзникова. - Москва, 2006. - 38 с.
16. Гюнтер, Л. И. Метантенки [Текст] / Л. И. Гюнтер, Л. Л. Гольдфарб. - М.: Стройиздат, 1991. - 280 с.
17. Zieminski, K. Methane fermentation process as anaerobic digestion of biomass: Transformations, stages and microorganisms [Text] / K. Zieminski, M. Fr^c // African Journal of Biotechnology. - 2012. - Vol. 11, Issue 18. - P. 4127-4139. doi: 10.5897/ajbx11.054
18. Chae, K. J. The effect of digestion temperature and temperature shock on the biogas yields from the mesophilic anaerobic digestion of swine manure [Text] / K. J. Chae, A. Jang, S. K. Yim, I. S. Kim // Bioresource Technology. - 2007. - Vol. 99, Issue I. - P. 1-6. doi: 10.1016/j.biortech.2006.11.063
19. Moller, U. Entseuchung von Klarschlam. Eine Standartbestimmung 1987 [Text] / U. Moller // Korrespondenz Fbwasser. - 1988. -Vol. 1. - P. 24-30.
20. Данилович, Д. А. Влияние предварительной обработки осадков сточных вод на полноту протекания процесса метанового сбраживания [Текст] / Д. А. Данилович, М. Н. Козлов, М. В. Кевбрина, Д. В. Гусев // Вода: технологии, материалы, оборудование, экология. - 2009. - № 2. - С. 24-26.
21. Предзим1рська, Л. М. Каштацшне очищення природних i с^чних вод вщ оргашчних та бюлопчних забруднень [Текст]: автореф. дис. ... канд. техн. наук / Л. М. Предзимiрська. - 1вано-Франгавськ, 2015. - 21 с.
22. Pereira, M. A. Mineralization of LCFA associated with anaerobic sludge: kinetics, enhancement of methanogenic activity, and effect of VFA [Text] / M. A. Pereira, D. Z. Sousa, M. Mota, M. M. Alves // Biotechnology and Bioengineering. - 2004. - Vol. 88. -P. 502-511. doi: 10.1002/bit.20278
23. Welsh, F. Untresuchungen zur Optimisierung der zweistufigen anaeroben Klarschlamm [Text] / F. Welsh // GFW-Wasser-Abwasser. - 1986. - Vol. 3. - P. 109-117.
24. Pereira, M. A. Accumulation of long chain fatty acids onto anaerobic sludge under steady state and shock loading conditions: effect on acetogenic and methanogenic activity [Text] / M. A. Pereira, A. J. Cavaleiro, M. Mota, M. M. Alves // Water Sci. Technol. -2003. - Vol. 48. - P. 33-40.
25. Patent USA 4722741 [Text] / МК1 СО2 F11/04, НК1 48/197А, 1988.
