CC BY
137
УДК 579.695
МИКРОБИОЛОГИЧЕСКАЯ ПЕРЕРАБОТКА ИЛА В АНАЭРОБНЫХ УСЛОВИЯХ В.В. Шавкун, А.Е. Капустин
Приазовский государственный технический университет,
87500, г. Мариуполь, ул. Университетская, 7, kapustin_a_e@pstu.edu, shavkun_v_v@mail.ru.
Изучены процессы анаэробного сбраживания ила стоков полигона твердых бытовых отходов г. Мариуполя. Определена зависимость процесса сбраживания от температуры. Установлено, что оптимальной температурой процесса является 54-55 °С. Доказано, что при данной температуре конечное содержание гельминтов и энтеробактерий наименьшее. Определено, что изменение ХПК в ходе процесса и газообразование прямопропорциональны, титр энтеробактерий в процессе культивирования снижался с 5103 кл/мл до 10 кл/мл в конце процесса. Установлено, что использование отъемно-доливного или непрерывного способов организации процесса наиболее эффективно. Ил. 1. Табл. 3. Библиогр. 12 назв.
Ключевые слова: анаэробное сбраживание, биогаз, метантенк, очистка стоков, ил. MICROBIOLOGICAL SLUDGE RECYCLING UNDER ANAEROBIC CONDITIONS V.V. Shavkun, A.E. Kapustin
Azov Sea State Technical University,
7, Universitetska St., Mariupol, 87500 Ukraine, shavkun_v_v@mail.ru, kapustin_a_e@pstu.edu.
Anaerobic digestion of sewage sludge of landfill in Mariupol has been investigated. The dependence of the fermentation process on the temperature has been defined. The optimum temperature of the process was found to be 54-55 °C. It is proved that the final content of helminths and enterobacterias at a given temperature is the least.
The change in COD during the process and gas production are in direct proportion. The titer of enterobacteria during cultivation decreased from 5103 cells/ml to 10 cells/ml at the end of the process. Continuous and fed-batch ways of fermentation process are found to be the most effective. 1 figure. 3 tables. 12 sources.
Keywords: anaerobic fermentation, biogas, methanetank, wastewater treatment, sludge. ВВЕДЕНИЕ
Полигоны складирования твердых бытовых Salmonella enterica, Staphylococcus aureus, Vibrio отходов являются объектами высокого экологиче- cholerae Yersinia pestis, Francisella tularensis), а ского риска загрязнения окружающей природной также яйца гельминтов (Enterobius vermicularis, среды, вследствие инфильтрации в пределах Ascaris lumbricoides, Diphyllobothrium latum, Tae-площади складирования отходов отжимной воды, niarhynchus saginatus, Taenia solium, Ancilostoma выделяющейся из свалочного тела в процессе duodunale, Echinococcus granulosus, Strongyloides складирования, уплотнения и разложения отхо- stercoralis).
дов - свалочного фильтрата. На протяжении жиз- Для устранения попадания в грунтовые воды
ненного цикла полигона твердых бытовых отходов неорганизованных стоков предлагаем анаэробную (ТБО) фильтрат является постоянным источником переработку с предварительным сбором и смеши-загрязнения подземных и грунтовых вод. Постоян- ванием с организованными стоками. Поскольку ное использование загрязненных подземных вод стоки содержат большое количество взвешенных приводит к резкому снижению иммунитета орга- частиц, скорость осаждения которых очень низка, низма и развитию лейкозоподобных заболеваний а содержание органики высоко, то в данной рабо-как у человека, так и у домашних животных [1,2,3]. те мы рассматривали анаэробное сбраживание
Сложная экологическая ситуация сложилась в именно такого ила. г. Мариуполе, поскольку расположенный в Орджо- Одним из способов очистки сточных вод яв-
никидзевском районе города полигон твердых бы- ляется анаэробное сбраживание. Под анаэробным товых отходов находится в 50 м от р. Кальмиус и в сбраживанием понимают микробиологические 6 км от ее впадения в Азовское море. процессы ассимиляции загрязнений ассоциацией
Особенностью полигона твердых бытовых от- симбиотических микроорганизмов в анаэробных ходов г. Мариуполя является то, что фильтрат со- условиях, при этом одновременно со снижением держит высокие концентрации тяжелых металлов, концентрации загрязнителя выделяется так назы-фенолов и других токсичных веществ. В фильтра- ваемый биогаз, состоящий из метана и углекислоте обнаружены возбудители инфекционных забо- ты [3]. леваний (Clostridium perfringens, Bacillus anthracis,
ваемый биогаз, состоящий из метана и углекислоты [3].
К условиям, влияющим на развитие тех или иных форм микроорганизмов, в первую очередь относятся: температура, рН среды культивирования, наличие в ней различных концентраций серы и азота [5].
Анаэробное сбраживание, как правило, используют для первичной очистки высококонцентрированных стоков с содержанием загрязнений от 3000 мг/л ХПК.
Системы очистки могут работать в различных температурных режимах - психрофильном (при температуре менее 20 °С), мезофильном (при температуре 20-45 °С), термофильном (при температуре 50-65 °С). Скорость очистки существенно зависит от температуры и наиболее эффективными являются термофильные методы очистки. Однако, часто преимущество в скорости очистки не может компенсироваться тем количеством тепла, которое необходимо подводить к системе. При термофильном режиме сбраживания практически полностью погибают микроорганизмы семейства энтерогруппы (кишечные палочки) и яйца гельминтов [6-9].
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Химическое потребление кислорода (ХПК) определяли окислениемраствором концентрированной серной кислоты с 25% раствором би-хромата калия в течение 24 ч [10].
Определение микроорганизмов энтерогруппы проводили с использованием агаризированной среды Эндо. Для этого брали 1 мл исследуемого ила и разводили в 9 мл стерильной воды, далее отбирали 1 мл из полученной суспензии и вновь разводили в 9 мл стерильной водопроводной воды. Аналогичные последовательные разбавления делали еще 3 раза. Из последних трех разбавлений отбирали стерильными пипетками по 0,2 мл суспензии и высевали на агаризированную среду Эндо в чашки Петри. После термостатирования при температуре 37 °С в течение двух суток производили подсчет колоний с характерным для эн-терогруппы цветом и рассчитывали количество микроорганизмов в исходной суспензии. Все анализы проводили в трех повторностях [11].
Количество гельминтов определяли по методу Столла [12]. В мерную колбу объемом 60 мл вносили 56 мл 0,1 н раствора едкого натра и доводили до метки исследуемым илом. В колбу вносили 10 стеклянных бус диаметром 3 мм и перемешивали в течение 3 мин. Из образовавшейся суспензии отбирали пипеткой 0,075 мл и переносили на предметное стекло, накрывали покровным стеклом и микроскопировали. Подсчитывали яйца гельминтов, содержащиеся в 1 г ила, умножением на 0,05. По стандартным схемам определяли интенсивность инвазии.
Эксперименты по сбраживанию ила проводились в периодических условиях. Исследуемый ил анализировали на ХПК, содержание гельминтов и энтеробактерий и загружали в реактор в количестве 250 мл, реактор помещали в термостат, задавали температуру и перемешивали. Во всех случаях, если не оговорено отдельно, интенсивность перемешивания составляла 100 об/мин, при амплитуде перемешивания 3 мм.
Анализ газов проводили на газовом хроматографе «Хром 5».
ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
Кинетические эксперименты проводили в термостатируемом реакторе (рисунок).
После прогрева инкубационной смеси в течение 1 ч и ее дегазации замерялось нулевое значение выделявшегося газа. Данная точка считалась началом эксперимента. В ходе эксперимента фиксировалось количество выделившегося газа (два раза в сутки) и анализировался его состав. При заполнении сборника газа газ отводился при помощи водоструйного насоса. После того, как процесс брожения заканчивался в иле определяли ХПК, содержание гельминтов и микроорганизмов энтерогруппы. В ходе эксперимента определяли кислотность среды по показанию рН-метра.
Периодическое сбраживание ила проводили в реакторе объемом 350 мл с обратным холодильником, при термостатировании. Перед началом эксперимента в суспензии ила определяли рН среды, начальное значение ХПК, общую обсеме-ненность, содержание гельминтов. Температуру сбраживания варьировали в интервале от 25 до 65 °С.
При проведении процесса при 55 °С получили следующие результаты: в течение 24-25 ч образование биогаза практически не наблюдается, при этом происходит закисление среды культивирования с рН 6,4 до 4,6, далее начинается образование биогаза. Количество биогаза возрастает экспоненциально и заканчивается через 47-49 ч. Общее количество биогаза, образовавшегося при этом составляет 28-30 объемов от объема загружаемого ила. Хроматографический анализ газа показал, что состав газа меняется в зависимости от фазы развития микроорганизмов; на первых этапах в начальный момент газообразования состав газа следующий: 64% метана, 35% углекис лого газа и примеси водорода и оксида углерода (II). В середине фазы и в конце эксперимента процентное содержание метана возрастает до 7073%, а углекислого газа снижается соответственно до 26-29%.
Изменение рН среды культивирования и низкое газовыделение свидетельствуют о двухступенчатом процессе разложения органических загрязнений: на первой стадии происходит разложение высокомолекулярных соединений до кислот -уксусной, пропионовой, масляной; и далее
Рис. Установка для анаэробного сбраживания ила (1 - магнитная мешалка, 2 - водяная баня, 3 - биореактор, 4 - контактный термометр, 5 - ртутный термометр, 6 - газоотводная трубка, газоизмеритель).
непосредственно происходит метановое брожение с выделением метана и углекислого газа.
Изменение ХПК в ходе процесса и газообразования прямопропорциональны. При начальных концентрациях ХПК 4200-4500 мг О2/л в конце процесса очистки ХПК составило 900-110 мг О2/л.
В процессе периодического культивирования были определены титр энтеробактерий и концентрация гельминтов.
Титр энтеробактерий в процессе культивирования снижался с 5*103 кл/мл до 10 кл/мл в конце процесса. Содержание яиц гельминтов в сброженном иле равно нулю, при среднем первоначальном количестве яиц гельминтов 60-80 на 1 мл.
Последовательное развитие микрофлоры анаэробных микроорганизмов - кислотных и ме-танобразующих, делает периодический процесс очистки малоэффективным. Нами были предприняты попытки проведения процесса очистки в отъ-емно-доливном режиме, когда часть сбродившего ила удаляется из реактора и добавляется равная часть «свежего» ила. При этом оставшийся ил служит источником анаэробных микроорганизмов.
При проведении такого процесса варьировали долю оставляемого ила 10, 15 и 20%, количе-
ство повторных циклов составляло - 4. Все остальные параметры процесса - температура, интенсивность перемешивания, объем инкубационной смеси, оставались постоянными.
Данные по сбраживанию ила приведены в табл. 1. Как видно из табл.1 продолжительность процесса очистки с увеличением доли оставляемого сброженного ила, который служит инокуля-том, снижается. В каждом последующем цикле продолжительность фазы кислотного гидролиза также снижается, то есть происходит адаптация микрофлоры активного ила, развивающегося в метантенке.
По литературным данным [5,6] влияние температуры на процесс сбраживания является очень существенным. Различают процессы сбраживания при температурах 35-37 °С, 45-47 °С и 55-65 °С. При этом сбраживание Проведение сбраживания при температурах 55-65 °С считается самым перспективным [6]. Нами были проведены процессы сбраживания во всех приведенных интервалах температур.
Процессы сбраживания происходят при всех температурах, но скорость сбраживания резко отличается. Так, при проведении сбраживания при комнатной температуре (без термостатирования)
Таблица 1
Результаты сбраживания ила
№ цикла Время, час Длительность, час Объем биогаза, л/л ХПК кон, мг О2/л
10% остатка ила
1 24-25 24-25 28 980
2 18-19 21-23 24 965
3 15-16 18-19 25 920
4 12-13 15-16 25 925
15% остатка ила
1 24-25 24-25 30 945
2 16-17 20-21 25 955
3 14-15 16-17 26 990
4 12-13 13-14 26 890
20% остатка ила
1 24-25 24-25 29 965
2 15-16 18-19 23 860
3 13-14 15-16 24 830
4 11-12 13-14 24 845
Таблица 2
Зависимость сбраживания ила от температуры__
№ Температура, °С Длительность кислотной фазы, ч Длительность фазы брожения, ч Количество биогаза, л/л ХПК конечн, мг О2/л
1 20-22 4 сут. 4 нед. 5-8 2800
2 35-37 48-66 70-72 22-24 1250
3 55-56 24-25 25-55 28-30 900
4 63-66 - - - -
сбраживание продолжалось в течении 4 недель, при этом выход газа снижался с 28-30 до 5-8 объемов на 1 объем жидкости. Состав газа при этом был следующим: метан - 63%, углекислый газ - 36%.При низких температурах наблюдали и достаточно высокое значение остаточного ХПК(2800). Данные по влиянию температуры на параметры сбраживания приведены в табл. 2.
При температуре 63-66 °С процесс обеззараживания не проходил в течении 7 сут, что может свидетельствовать о полной гибели микрофлоры ила. Существенным является то, что при различных температурах очистки титр энтеробактерий и содержание гельминтов различно. Так при температурах ниже 37 °С количество энтеробактерий даже возрастает в сравнении с начальнымизначе-ниями, увеличивается и содержание яиц гельминтов. Увеличение температуры до 45 °С приводит к гибели гельминтов, но в иле еще присутствует достаточно большое количество энтеробактерий и лишь при температуре 55 °С содержание энтеробактерий резко снижается.
Проведение реального процесса обеззараживания сопровождается колебаниями температуры, поддерживаемой в аппарате. Снижение температуры ниже оптимального значения не приводит к необратимым процессам для хода очистки, при этом лишь снижается скорость и может увеличиться количество энтеробактерий и гельминтов. Повышение же температуры до 65-70 °С в течении 1 ч приводит к резкому снижению скорости очистки и процесс газообразования не возобнав-ляется в течении 4 сут.
Одним из возможных отклонений от регламентного режима очистки можно прогнозировать кратковременное захолаживание реактора, в котором проходит процесс очистки. Для исследования поведения системы нами были проведены эксперименты, в которых в середине процесса периодического сбраживания ила реактор захола-живали до 8-10 °С на 1,5-24 ч соответственно. При этом снимали кинетику выделения газа как во время захолаживания, так и после него.
Резкое снижение температуры приводит к остановке процесса сбраживания уже через 10-15 мин после охлаждения. Повторный прогрев реактора и вывод температуры на заданный уровень через указанные интервалы времени приводили к возобновлению брожения, однако по мере увеличения времени охлаждения увеличивалось время, необходимое клеткам для выхода из температурного стресса. Так при продолжительности охлаждения 1 ч выход клеток из температурного шока составил 1,5 ч, при 5-6 ч, при 24 - 12-16 ч. Кратковременное охлаждение не привело к последующему изменению в качественных и количественных характеристиках процесса очистки.
Одним из приемов увеличения интенсивности скорости очистки является снижение концентрации загрязнений за счет разбавления ила водой [8]. Нами были проведены исследования по изучению скорости сбраживания разбавленных стоков. Стоки разбавляли водопроводной водой в соотношениях: вода-ил - 10/90, и.т.д. 20/80, 40/60. Результаты экспериментов приведены в табл. 3.
Резкое снижение скорости очистки при разбавлении стоков водой мы объясняем тем, что в водопроводной воде присутствует в достаточном количестве кислород, который полностью и необратимо ингибирует процессы брожения, так как микрофлора, развивающаяся в метантенках, является строгим анаэробом и не переносит даже незначительных концентраций растворенного кислорода.
Необратимые изменения микрофлоры метан-тенка при контакте с кислородом воздуха. подтверждены в экспериментах с принудительным аэрированием Проведение аэрирования ила в течении 5 мин приводило к необратимому после-ствиям. Скорость сбраживания снижалась до 0 и сбраживание не возобновлялось в течение 4 сут.
ВЫВОДЫ
Исследованный ил стоков полигона твердых бытовых отходов можно сбраживать с образованием биогаза и существенным снижением загряз-
Таблица 3
Результаты сбраживания при разбавлении ила водой
№ Соотношение вода:ил Длительность кислотной фазы, ч Длительность фазы брожения, ч Количество биогаза, л/л ХПК конечн, мг О2/л
1 10:90 28-29 24-25 26 740
2 20:80 40-42 30-32 20 720
3 40:80 процесс брожения не начался в течение 7 сут
нений.
Оптимальной температурой процесса сбраживания можно считать температуру 54-55 °С. Необходимо использовать либо отъемно-
доливной, либо непрерывный способ организации процесса.
Стоки перед направлением в метантенк не должны долго контактировать с воздухом.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИМ СПИСОК
1. Великанов Н. Л., Великанова М. Н., Колобов А. В. Очистка сточных вод свалок твердых бытовых отходов, отдельных зданий и сооружений // Известия Калининградского государственного технического университета. 2009. N 15. С. 60-64.
2. Вихерт A.M., Жданов B.C., Чаклин А.В. Эпидемиология неинфекционных заболеваний. М.: Медицина, 1990. 272 с.
3. Воздействие на организм человека опасных и вредных экологических факторов. Метрологические аспекты. В 2-х томах. / Под ред. Исаева Л.К. Т. 1. М.:ПАИМС. 1997. 512 с.
4. Харитонова Н.В., Корнилаев Е.М. Оценка воздействия полигонов захоронения ТБО на подземные воды // 4 Межд. конгр. по управлению отходами «ВейстТэк-2005», Москва, 31 мая -3 июня 2005 г. С. 255-256.
5. Гелетуха Г.Г., Кобзарь С.Г. Современные технологии анаэробного сбраживания биомассы // Экотех-нологии и ресурсосбережение. 2002. № 4. С. 3-10.
6. Вохмин В.С. Исследование конвективно-индукционного нагрева при анаэробном сбраживании отходов животноводческих ферм // Научный журнал КубГАУ. 2011. № 70(06). С. 35-47.
7. Нестеренко Е.В., Шеренков И.А. Развитие стратегии очистки сточных вод // Науковий вюник буфв-ництва. 2009. № 54. С.319-323.
8. Прикладная экобиотехнология: учебное пособие / Кузнецов А.Е. [и др.], М.: БИНОМ, 2010. 629 с.
9. Применение технологии анаэробной переработки отходов АПК в России / Вохмин В.С. [и др.] // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета [Электронный ресурс]. - Краснодар: КубГАУ, 2011. -№09(73). Режим доступа: http://ej.kubagro.ru /2011/09^/17^.
10. РД 52.24.421-2007. Химическое потребление кислорода в водах. Методика выполнения измерений титриметрическим методом. Федеральная служба по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды (Росгидромет). Введен 01.04.07. Ростов-на-Дону, 2007. 13 с.
11. МУК 4.2.964-00. Методы контроля. Биологические и микробиологические факторы. Санитарно-паразитологическое исследование воды хозяйственного и питьевого использования. Методические указания. Введен 01.05.2000. М. : Межгосударственный стандарт : ИПК изд-во стандартов, 2000. 11 с.
12. СанПиН 2.1.5.980-00. Водоотведение населенных мест, санитарная охрана водных объектов. Гигиенические требования к охране поверхностных вод. Санитарные правила и нормы. Введен 01.01.01. Санитарные правила и нормы. - М.: Федеральный центр Госсанэпиднадзора Минздрава России, 2001. 11 с.
Поступило в редакцию 2 августа 2012 г После переработки 10 декабря 2012 г
