Введение.

     Вода - ценнейший природный ресурс. Она  играет исключительную роль в процессах  обмена веществ, составляющих основу жизни. Огромное значение вода имеет в промышленном и сельскохозяйственном производстве. Общеизвестна необходимость ее для бытовых потребностей человека, всех растений и животных. Для многих живых существ она служит средой обитания.

     Рост  городов, бурное развитие промышленности, интенсификация сельского хозяйства, значительное расширение площадей орошаемых  земель, улучшение культурно-бытовых условий и ряд других факторов все больше усложняет проблемы обеспечения водой.

     Потребности в воде огромны и ежегодно возрастают. Ежегодный расход воды на земном шаре по всем видам водоснабжения составляет 3300-3500 км³. При этом  70% всего водопотребления используется в сельском хозяйстве.

     Много воды потребляют химическая и целлюлозно-бумажная промышленность, черная и цветная металлургия. Развитие энергетики также приводит к резкому увеличению потребности в воде. Значительное кол-во воды расходуется для потребностей отрасли животноводства, а также на бытовые потребности населения. Большая часть воды после ее использования для хозяйственно-бытовых нужд возвращается в реки в виде сточных вод.

     Дефицит пресной воды уже сейчас становится мировой проблемой. Все более возрастающие потребности промышленности и сельского хозяйства в воде заставляют все страны, ученых мира искать разнообразные средства для решения этой проблемы.

     На  современном этапе определяются такие направления рационального  использования водных ресурсов: более полное использование и расширенное воспроизводство ресурсов пресных вод; разработка новых технологических процессов, позволяющих предотвратить загрязнение водоемов и свести к минимуму потребление свежей воды.

          Еще в городах древнего Египта, Греции и Рима существовали канализационные системы, по которым  отходы жизнедеятельности людей и животных  транспортировались в водоемы - реки, озера и моря. В Древнем Риме перед сбросом в Тибр канализационные стоки накапливались и выдерживались в накопительном пруде-отстойнике - клоаке (cloaca maxima). В Средние века этот опыт был в значительной степени забыт, помои, экскременты людей и животных, выливались на городские улицы и удалялись эпизодически. Это являлось причиной загрязнения и заражения источников питьевой воды и приводило к возникновению эпидемий холеры, тифа, амебной дизентерии и др. В начале 19 века  в Англии был изобретен туалет с водяным смывом. Возникла очевидная необходимость в обработке сточных вод и предотвращения их попадания в источники питьевой воды. Сточные воды собирали и выдерживали  в больших емкостях, осадок использовали в качестве удобрений. В начале двадцатого века были разработаны интенсивные системы  очистки бытовых сточных вод, включая поля орошения, где вода очищалась, фильтруясь через почву, струйные фильтры со щебневой и песчаной загрузкой, а также резервуары с принудительной аэрацией - аэротенки. Последние являются основным узлом современных станций аэробной очистки  городских сточных вод. Первоначально основной целью очистки стоков являлось их обеззараживание. Понимание важности качественной очистки сточных вод для охраны природных водоемов пришло позже. Проблема чистой воды является одной из актуальнейших проблем наступившего века. Для сохранения мест забора питьевой воды чистыми необходима качественная очистка сточных вод, производство которых в России достигает 500 литров в сутки на душу городского населения. В настоящее время разработаны и развиваются современные технологии очистки сточных вод. Наибольший интерес и перспективу имеют естественные и самые дешевые биологические методы очистки, представляющие собой интенсификацию природных процессов разложения органических соединений микроорганизмами в аэробных или анаэробных условиях. 
 
 
 

Биологические (биохимические) методы очистки сточных вод. 

    Биологические методы применяют для очистки  хозяйственно-бытовых и промышленных сточных вод от многих растворенных органических и некоторых неорганических веществ. Процесс основан на способности  микроорганизмов использовать эти вещества для питания в процессе жизнедеятельности, органические вещества для микроорганизмов являются источником углерода.

    Известны  аэробные и анаэробные методы.

    Аэробный  метод основан на использовании аэробных групп организмов для жизнедеятельности которых необходим постоянный приток О₂ и температура 20-40⁰С. Микроорганизмы культивируются в активном иле или биопленке.

        Активный ил состоит из живых организмов и твердого субстрата. Живые организмы представлены скоплениями бактерий, простейшими червями, плесневыми грибами, дрожжами, редко – личинками насекомых, рачков, а также водорослями. Биопленка растет на наполнителях биофильтра, она имеет вид слизистых обрастаний толщиной 1-3 мм и более. Процессы аэробной переработки сточных вод идут в сооружениях называемых аэротенками.

      Анаэробные методы очистки протекают без доступа О₂ (процесс брожения), их используют для обезвреживания осадков. Анаэробные процессы происходят в, так называемых, метантенках.  Анаэробная и аэробная очистка идут  в сопряжении. 

Анаэробная  биологическая очистка  сточных вод.

      Анаэробный метод очистки может рассматриваться в качестве одного из наиболее перспективных при наличии высокой концентрации в сточных водах органических веществ или для очистки бытовых стоков. Его преимущество перед аэробными методами заключается в резком снижении эксплуатационных расходов (для анаэробных микроорганизмов не требуется дополнительной аэрации воды) и отсутствии проблем, связанных с утилизацией избыточной биомассы.

     Анаэробная деградация органических веществ, осуществляется как многоступенчатый процесс, в котором необходимо участие, по меньшей мере четырех групп микроорганизмов:

• гидролитиков,
• бродильщиков,
• ацетогенов
• метаногенов.

     В анаэробном  сообществе между микроорганизмами существуют тесные и сложные взаимосвязи, имеющие аналогии в многоклеточных организмах, поскольку ввиду субстратной специфичности метаногенов, их развитие невозможно без трофической связи с бактериями предыдущих стадий. В свою очередь метановые археи, используя вещества, продуцируемые первичными анаэробами, определяют скорость реакций, осуществляемых этими бактериями. Ключевую роль в анаэробной деградации органических веществ до метана играют метановые археи родов Methanosarcina, Methanosaeta (Methanothrix), Мethanomicrobium  и другие. При их отсутствии или недостатке анаэробное разложение заканчивается на стадии кислотогенного и ацетогенного брожений, что приводит к накоплению  летучих жирных кислот, в основном масляной, пропионовой  и уксусной, снижению рН и остановке  процесса.

     Формирование агрегатов биомассы является результатом микробиологических, химических и физических процессов, происходящих на границе раздела жидкой и твердой фаз. Образование гранулированной биомассы в биореакторе является уникальным феноменом самоорганизации метаногенного микробного сообщества. И именно ацетатиспользующие метаногены обладают морфологическими особенностями, позволяющие им образовывать оформленные структуры с другими бактериями или смешанные колонии.        

Точной  морфологической классификации  гранулированной метаногенной биомассы пока не существует. С учетом наличия промежуточных форм выделяют три основных типа гранул:

• тип А:

компактные  сферические или дисковидные  плотные гранулы, состоящие в  основном из нитей метаносает. Обычно образуются при наличии субстрата с высоким содержанием ЛЖК, в том числе на преацидифицированных сточных водах при двухступенчатой анаэробной обработке.

• Тип В:

крупные и менее плотные сферические  гранулы, содержащие различные типы микроорганизмов, основу составляют нити метаносаета, часто прикрепленные к инертным частицам. Образуются при обработке сточных вод молочной промышленности и сточных вод пивоваренного или безалкогольного производства;

• тип С: мелкие и рыхловатые округлые гранулы, основу которых составляют метаносарцины. Образуются в высоконагружаемых системах очистки сточных вод, в частности по ацетату, например навозные стоки или винные стоки при низких температурах.

    На поверхности  всех типов гранул наблюдаются поры различной величины, служащие для транспорта субстрата и выхода биогаза.

      Одной из наиболее важных характеристик анаэробного ила, как было указанно выше, является метаногенная активность. Метаногенная активность зависит от состава сточных вод.        

На процесс анаэробной очистки сточных вод влияют фазовый и химический состав субстрата, значение рН среды, наличие токсичных веществ, гидродинамический и температурный режимы.

     Стабильность работы анаэробных реакторов сильно зависит от значения рН сточных вод и его постоянства, оптимальными являются рН 7.0-8.0. Для формирования гранул и развития гранулированного ила имеет значение гидродинамический режим в реакторе, который определяется скоростью протока очищаемых сточных вод.        

Обработка избыточного анаэробного ила  не представляет никаких проблем. Высокое исходное содержание сухого вещества (до 100 г/дм³), высокая зольность и стабильность, хорошие водоотдающие свойства и, как правило, его малые количества позволяют обезвоживать ил без применения реагентов с помощью центрифуг, ленточных фильтр-прессов и других стандартных устройств обработки сточных вод, либо на иловых площадках (при высоких нагрузках). Анаэробный ил, образующийся при очистке сточных вод пищевых производств, представляет собой высококачественное органоминеральное удобрение, которое можно использовать без особых ограничений. Сам по себе анаэробный ил не содержит патогенных микроорганизмов, а термофильный ил богат витамином В₁₂, поэтому его можно также использовать как пищевую добавку в корм крупного рогатого скота.

      До недавнего времени целесообразным являлось использование метанового брожения только для обработки осадков сточных вод, так как длительность процесса (несколько суток) предполагала наличие значительных объемов реакторов. В 80-х годах 20 в. были проведены многочисленные исследования и показано, что при определенных условиях в биореакторах возможно формирование гранулированного ила, и процесс биодеструкции загрязнений сточных вод таким илом обеспечивается в течение нескольких часов (6-14), что позволяет использовать этот метод для очистки сточных вод. Тем не менее, вряд ли этот метод можно считать альтернативным аэробному процессу биодеградации органических веществ сточных вод, так как его целесообразно применять при исходной концентрации загрязняющих веществ свыше 2000 мгО₂/дм³ (по БПКп).

Механизм  очистки.

     При анаэробном преобразовании органических субстратов в метан под воздействием микроорганизмов должны быть последовательно реализованы 4 стадии разложения. Отдельные группы органических загрязнений (углеводы, протеины, липиды/ жиры) в процессе гидролиза преобразуются сначала в соответствующие мономеры (сахара, аминокислоты, жирные кислоты). Далее эти мономеры в ходе ферментативного разложения (ацитогенеза) преобразуются в короткоцепочечные органические кислоты, спирты и альдегиды, которые затем окисляются дальше в уксусную кислоту, что связано с получением водорода. Только после этого доходит очередь до образования метана на этапе метаногенеза. В качестве побочного продукта наряду с метаном образуется также и углекислый газ.

     Все процессы преобразования тесно взаимосвязаны друг с другом и должны протекать в емкости анаэробного реактора в строго установленном порядке, т.к. любое нарушение одного из промежуточных этапов приводит к нарушению всего процесса. Поэтому требуется точное проектирование очистных сооружений и их настройка на соответствующую сточную воду.

 
Рисунок 1: Этапы  разложения анаэробного  преобразования

     В зависимости от того, какой класс органических веществ преобладает в сточной воде, меняется состав биогаза и доля метана в нем. Углеводы в большинстве случаев разлагаются легко, однако они дают сравнительно меньшую долю метана. При разложении жиров и масел образуется большее количество биогаза с высоким содержанием в нем метана, однако, разлагаются они очень медленно. Кроме того, жирные кислоты, образующиеся как побочные продукты при разложении жиров и масел, могут препятствовать всему процессу разложения. 

Описание  конструкции метантенка.

     Более совершенными сооружениями для сбраживания осадков являются метантенки. Сокращение сроков сбраживания в них за счет искусственного подогрева приводит к значительному уменьшению объема сооружений. В настоящее время метантенки широко применяются в отечественной и зарубежной практике. Метантенк представляет собой цилиндрический железобетонный резервуар с коническим днищем и герметическим перекрытием, в верхней части которого имеется колпак для сбора газа, откуда газ отводится для дальнейшего использования.

      Метантенк представляет собой вертикальный сварной аппарат с цилиндрической обечайкой, с коническим днищем. В верхней части аппарат имеет горловину , имеющую диметр меньше диаметра основного аппарата. 
      Метантенк оборудован пропеллерной мешалкой, установленной в цилиндрической трубе, и приводимой в действие электродвигателем; теплообменником в виде труб, соединенных коллекторами трубы для загрузки исходного навоза; патрубка  для отвода биогаза; патрубка  для слива и устройствами  и для выгрузки отферментированной массы. 
     Устройство для выгрузки отферментированной массы представляет собой вертикальную трубу, проходящую внутри аппарата, снабженную сливным патрубком с запорным устройством.

    В метантенк подаётся обычно смесь сырого (свежего) осадка из первичных отстойников и избыточный активный ил из вторичных отстойников после аэротенков. В метантенках производят подогрев сбраживаемой массы (чаще всего «острым» паром) и её перемешивание.

     Различают мезофильное (при температуре 30—35 °C) и термофильное (при температуре 50—55 °C) сбраживание. При термофильном сбраживании процесс распада проходит быстрее, но сброженный осадок хуже отдаёт воду. Смесь газов, выделяющихся при сбраживании, состоит преимущественно из метана (до 70 %) и углекислого газа (до 30 %). Метан (сжигаемый в котельной) используется для получения пара, которым подогревают осадок