Микробные процессы и биотехнологии окружающей среды (продолжение)

Анаэробная обработка концентрированных стоков

Благодаря развитию систем интенсивной анаэробной очистки стоков, так называемых анаэробных реакторов нового поколения, широкое распространение находит первичная анаэробная очистка концентрированных сточных вод.

Первичная анаэробная обработка оказалась чрезвычайно подходящей и экономичной для современных концентрированных сточных вод различных отраслей промышленности. Более того, для стоков, ХПК которых превышает 2000 мг/л, анаэробная обработка является единственно приемлемым методом очистки, позволяющим удалить до 90% загрязнений. Последующая  аэробная очистка нужна для окисления остатка органических веществ аммония и сульфида. Так как анаэробное микробное сообщество развивается очень медленно, необходимо максимальное удержание активной биомассы в реакторе. Этому способствует использование реакторов нового поколения с прикрепленной микробной биомассой – анаэробных биофильтров и взвешенного слоя активного ила. Реакторы с фиксированной жесткой загрузкой представляют собой анаэробную модификацию биофильтра. Очищаемая вода может подаваться как сверху, так и снизу. Недостатком анаэробного биофильтра считается относительно быстрое забивание пористого материала. Этот недостаток преодолевается в системах взвешенного слоя ила. Наиболее эффективна система, представленная реактором восходящего потока с взвешенным слоем ила, разработанная в Нидерландах.

Они имеют достаточно простую конструкцию. Очищаемая вода подается в нижнюю часть реактора и ее восходящий поток медленно проходит через толстый (обычно 2-4 м) слой активного ила, более плотного внизу и взвешенного в верхней части. Метаногенный ил представлен плотными агрегатами до 2-3 мм в диаметре, так называемыми гранулами, которые спонтанно формируются из микробных клеток. Вместе с пузырьками образуемого ими метана микробные гранулы поднимаются в верхнюю часть реактора, пузырьки газа отрываются, и гранулы ила опускаются вниз. В верхней части реактора установлены отбойники для сбора газа и предотвращения выноса микробных гранул. Критическим для этой системы является начальное образование легко осаждающихся микробных гранул, поскольку от этого зависит эффективность функционирования реактора.

Основу структуры метаногенных гранул составляют археи родов Metanosarcina и Metanothrix. Образование метаногенных гранул является феноменом естественной самоорганизации микробного сообщества в искусственной среде обитания. Сформированный гранулированный ил используется в качестве посевного материала для пуска  новых реакторов.

Гибридные реакторы объединяют преимущества анаэробного биофильтра и взвешенного слоя ила. В них жесткая фиксированная загрузка расположена в верхней части реактора. Реакторы, для интенсивной анаэробной обработки получившие широкое распространение за последние 20 лет,  используются для очистки самых разнообразных стоков – от концентрированных бытовых в странах с дефицитом воды до специфичных сточных вод химической промышленности, в частности содержащих гомогенизированные соединения. Важная особенность систем с взвешенным слоем ила – высокая селективность в отношении м/о и сообществ, способные деградировать те или иные вещества в заданных условиях, лишние м/о не включаются в гранулы и вымываются из реактора. Из анаэробных реакторов выделены новые анаэробные бактерии. Образующийся в реакторах биогаз используют для обогрева реакторов или подаваемой на очистку воды, так как процесс очистки проходит в большинстве случаев в мезофильном режиме при 30⁰ С.

                                                 Анаэробная обработка полужидких отходов

 Только анаэробная обработка пригодна для полужидких, текучих отходов с содержанием сухого вещества до 15 г/л к которым относятся осадки сточных вод и навоз при самотечной системе уборки.

Анаэробные пруды (лагуны) используются в странах с теплым климатом для обработки полужидкого, в основном свиного, навоза с целью получения удобрений и биогаза как источника энергии.

Для обработки осадков сточных вод и навоза широко используются метантеки, которые представляют собой емкости самых разных размеров (от 0,1 до 20 000 м³ – «китайский семейный горшок»). Сбраживание обычно производится в периодическом или полупериодическом режимах при 30-35⁰ С или 50-55⁰ С, длительность процесса составляет обычно 3-5 и 2-3 недели соответственно. Перемешивание осуществляется различного типа мешалками либо, особенно в больших метантеках, вдуванием пара, что обеспечивает одновременно и обогрев. (получение удобрения и биогаза используемого в быту в Индии и Китае).

                                                            Обработка твердых отходов

 В настоящее время количество городских твердых бытовых отходов (ТБО) превышает 500 млн. т  в год.

Компостирование, анаэробный процесс окисления органических веществ биомассы м/о, сопровождается выделением большого количества тепла. Оно традиционно используется для получения удобрений на с/х предприятиях и в индивидуальных крестьянских и садоводческих хозяйствах.

Экстенсивный процесс компостирования происходит в компостных кучах и длится несколько месяцев. Интенсивное компостирование происходит в буртах и штабелях с аэрацией, которая осуществляется с помощью перфорированных труб или вентиляторов. При этом длительность процесса сокращается до 3-4 недель. Эти процессы можно еще выполнять в реакторах, в которых температура поднимается до 65-78⁰ С, а время обеззараживания укорачивается до нескольких дней. В этом случае участвуют термофильные бактерии Micropolispora, Termomonospora и другие. При этой температуре патогенные микроорганизмы погибают (обеззараживание навоза).

Самым простым и распространенным методом утилизации твердых бытовых и промышленных отходов является их захоронение, для чего используют овраги, карьеры и другие понижения рельефа. Захоронения на полигонах ТБО предусматривает уплотнение дна полигона глиной и регулярное уплотнение и пересыпание слоев мусора грунтом. В погребенных отходах осуществляется анаэробная деградация органических соединений м/о-ми, привнесенными с отходами и проникающими из почвы и грунта. Разложение происходит медленно. Образование метана происходит в течение 30-50 лет, при этом разлагается около 30% захороненной органики.

Скорость деградации в этом случае ограничивается низкой влажностью и отсутствием достаточной плотности м/о, которые способны разлагать различные органические соединения, в т. ч. ксенобиотики.

Свалки и полигоны ТБО вносят существенный вклад в тепличный эффект, производя по средним оценкам не менее 7% атмосферного метана. Во многих странах на крупных полигонах ТБО организована добыча газа, который используется как топливо или преобразуется в электроэнергию.