В поверхностных аэраторах системы Кесснера снабжение кислородом обеспечивается в ограниченном слое жидкости (менее 5 м). При этом на 1 кВт мощности аэрация составляет до 1,8 кг 62. Более эффективны аэраторы типа «Симплекс» -- до 2,3 кг О2 на 1кВт. Скорость массопередачи кислорода в этих системах 2--4 кг/ч.

В России до недавнего времени выпускались пневмомеханические аэраторы производительностью по воздуху 900, 1300 и 1900 м3/ч (по кислороду соответственно 54, 130 и 190 кг/ч).

Для очистки городских коммунальных стоков в некоторых западных странах успешно применяют аэротенки с керамическими аэраторами. Характеристика системы очистки стоков города с населе-нием около 1 млн человек и объемом очищенной жидкости 550000 м3/сут приведена в табл. 7. Для эксплуатации биоло-гической системы очистки стоков в сутки требуется 72000 кВт-ч электроэнергии, главным образом для сжатия воздуха. Высота столба жидкости в таких аэротенках открытого типа около 4 м.

Более эффективны аэротенки с большой высотой столба жидкости: колонные, башенные или шахтные. Высота шахтных аэротенков 50 м и более; в них имеется внутренняя система циркуляции субстрата, например, по внутренним трубам субстрат падает сверху вниз, а по межтрубному пространству при помощи сжатого воздуха -- поднимается вверх. Стоки, имеющие ВПК 2100 мг/л, очищаются на 85 %, при этом производительность составляет 25 м3/ч; концентрация ила 6,5 г/л; эффективность аэрации 3--4 кг О2 на 1 кВт.

Таблица 7. Система аэробной очистки городских стоков

Недавно российскими и зарубежными учёными разработан аэротенк со щелевыми эжекторами из пластмассы, обеспечивающими эффективное насыщение субстрата кислородом. Аэротенк выполнен в виде четырех параллельно работаю-щих колонн высотой 30 м. В каждой колонне установлены 72 эжектора. Производительность установки 90000 м3/сут. При необходимости, если отработанный воздух содержит вредную микрофлору или вещества, а также имеет неприятный запах, газовую среду обрабатывают в печах с инфракрасным обогре-вом.

На практике при аэробной очистке разбавленных стоков широко применяют аэробные фильтры, или триклеры. Это вертикальные цилиндры, заполненные щебнем, камнем, углем разме-ром 5--10 см. Высота фильтров может быть 2--3 м. Сверху на наполнитель обычно с помощью вращающегося разбрызгивателя подают очищаемые стоки. Жидкость стекает и покрывает части-цы пленкой, в которой затем развивается аэробная микрофлора (в основном гетеротрофные бактерии). В присутствии кислорода происходит окисление органических веществ стоков, стекающая жидкость поступает в осадительные бассейны. Ил не рециркулирует. Аэробные фильтры обеспечивают производительность 1--3 м3/(м2-сут).

Для очистки разбавленных стоков используют также вращающиеся биологические контакторы. Эти аэробные очистительные устройства представляют собой цилиндры, в которых на горизон-тальной оси по всей длине цилиндра установлены диски из пласт-массы или шифера. На 35--45 % диаметра диски погружены в жидкий субстрат. При вращении оси с частотой 2--5 об/мин субстрат прилипает к поверхности диска и в виде пленки подни-мается в воздушное пространство, где обогащается кислородом. Микрофлора преимущественно фиксируется (иммобилизуется) на поверхности дисков. Вращающиеся контакторы успешно при-меняют для переработки стоков с ВПК 130--200 мг/л и обеспечи-вают его снижение на 80--85 %.

Таким образом, современные аэротенки фактически являются ферментаторами различной мощности, в которых выращивается активный ил. Как правило, в аэротенках реализуется только непрерывный процесс, чаще всего с рециркуляцией активного ила.

Аэробную очистку стоков можно интенсифицировать путем создания псевдоожиженного слоя с применением в качестве

носителя ила инертных частиц, например песка, размером 0,3-- O,9 мм. Другой путь интенсификации -- повышение концентрации растворенного кислорода до 12 мг/л путем подачи технического кислорода.

Анаэробные системы очистки стоков

Для очистки сточных вод в народном хозяйстве при утилизации отходов животноводческих ферм, производстве кормового витамина B12 и в других случаях используют метановое брожение. Этот процесс широко распространен в природе (разложе-ние органических веществ в болотах, водоемах, в почве, у жи-вотных в рубце и т.д.). Метановое брожение -- строго анаэроб-ный процесс, осуществляется, как правило, в особых аппара-тах -- метантенках.

Биодеградация органических веществ при метановом брожении в метантенках протекает в три последовательные фазы (табл. 8).

В первой, гидролитической фазе около 76 % органических веществ переходит в высшие жирные кислоты, до 20 % -- в ацетат и 4 % -- в водород. Первую фазу можно разбить, в свою очередь, на фазы гидролиза и ацидогенеза (кислотообразования). Во второй фазе главными являются процессы образо-вания из высших жирных кислот ацетата (52 %) и водорода (24%). В третьей фазе (брожение) метаногенные бактерии образуют из ацетата 72 % метана, и СОз -- 28 % метана. Соотношение промежуточных и конечных продуктов в процессе метанового брожения зависит от состава среды, условий фер-ментации и присутствующей микрофлоры.

В первой фазе брожения принимают участие микроорганизмы, обладающие целлюлолитической, протеолитической, липолитической, сульфатвосстанавливающей, денитрифицирующей и други-ми видами активности. Состав доминирующей микрофлоры данной фазы зависит от состава микрофлоры поступающего в ме-тантенки субстрата, а также от химической природы деградиру-емых органических веществ. Количество аэробных и факульта-тивно анаэробных микроорганизмов в первой фазе брожения достигает 106 кл/мл, содержание облигатных анаэробов на 2--3 порядка выше. Целлюлозоразрушающие анаэробные бактерии в метантенках могут накапливаться в количестве до 106 кл/мл. Среди бактерий, разрушающих гемицеллюлозу, обнаружены штаммы Bacterioides ruminicola, Butyrivibrio fibriosolvens и др.

Протеолитические бактерии, используемые в промышленности относятся к роду Clostridium (28 штаммов из 43 выделенных), Peptococcus anaerobis (8 штаммов), к родам Bacterioides и Eubacterium (3 штамма), а также к родам, близким к Bifidobacterium. Общее количество микро-организмов, обладающих протеолитической активностью, в ме-тантенках достигает 105 кл/мл. Отмечается, что до 50 % выде-ленных бактерий, участвующих в метановом брожении, образуют споры. Влияние микробиологического состава поступившего в ме-тантенк субстрата на микрофлору метанового брожения хорошо видно на примере анаэробного сбраживания стоков свиноферм, в культуральной жидкости которых обнаружено до 50 % энтеробактерий Е. coli и анаэробных стрептококков. В этом опыте пер-выми развивались бактерии, обладающие амилолитической активностью, а позднее -- обладающие целлюлолитической и протеолитической активностями.

Существенная роль в процессах метанового брожения принадлежит ацетогенными и водородпродуцирующим бактериям. Эти бактерии, например Syntrophobacter wolinii, превращают пропионат в ацетат, СО2, если в среде одновременно при-сутствуют водородпотребляющие бактерии. Водород образуется при окислении NADH2 с образованием NAD. Содержание водоро-да в среде зависит не только от ацетогенных бактерий, но и от водородпотребляющих метаногенов. Метаногенная система будет работать эффективно тогда, когда парциальное давление водоро-да будет низким. При этом условии углеродные соединения кон-вертируются в ацетат, СО2 и будут плохо накапливаться различные жирные кислоты. В условиях загрузки биореактора легкодеградируемым субстратом концентрация СО2 может увели-чиваться и в среде будут накапливаться пропионовая, масляная и другие органические кислоты.

В третьей фазе -- метаногенной -- участвуют метанобразующие бактерии. Эта группа анаэробных бактерий принадлежит к древнейшему царству живых существ -- архибактериям. Строе-ние и метаболизм метанобразующих бактерий сильно отличаются от прокариот. Так, у метаногенов маленький геном -- около '/з генома кишечной палочки. Исследования последних лет показа-ли, что последовательность нуклеотидов в РНК у метаногенов и у обычных бактерий существенно различаются. Энергию для роста эти бактерии получают при восстановлении наиболее окисленного соединения СО2 до наиболее восстановленного СН4. Предполагаемый путь автотрофной ассимиляции СО2 у Methano-bacterium thermoautotrophicum показан на рис. 3.

Таблица 8. Фазы метанового брожения

Биогидролиз полимеров и ацидогенез

Гидролитические ацетогенные

Комплекс оргашче- Высшие жирные кис-
ских веществ лоты

Ацетогенез и дегидрогенизация Водородпродуцирующие бактерии Высшие жирные кис- На, СО2, СН3СООН

Метанобразующие бактерии

Метаногенез

На, СО2, СНзСООН

СН4, СО2

Галактозо-КНг

|Аспартат{

Оксал о ацетат

I

Малат Фумарат

Фактор

Сукцинат

ATP I

Сукцинил-СоА

(С02) 1 факт°Р 420ВОСС а-кетоглутарат

Гексозофосфат

Триоэофосфат

АТР

Фосфоенолпирув ат

Пентоэофосфат

Рис. 3.

Предполагаемая схема автотрофной ассимиляции СО2 у бакте-рий Methanobacterium thermoautotrophicum

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8