Анаэробная микробиологическая очистка сточных вод

Сравнение способов аэробной и анаэробной очистки. Известно, что при выборе между аэробными и анаэробными способами очистки сточных вод обычно склоняются в сторону первых, так как эти системы признаны более надежными, стабильными, они лучше изучены. Однако анаэробные процессы очистки имеют свои несомненные преимущества. Во-первых, в анаэробных процессах образуется меньше ила, чем в аэробных. Переработка ила может быть весьма дорогостоящей операцией из-за его высокой влажности (90—97%). В аэробных процессах образуется от 1 до 1,5 кг биомассы (ила), в то время как в анаэробных — только 0,1— 0,2 кг на каждый удаленный килограмм ВПК. Во-вторых, в анаэробных процессах образуется метан (СН₄), который может использоваться как горючее и, в-третьих, даже без учета использования метана в качестве источника энергии потребность в энергии на аэрацию в аэробных процессах очистки превышает потребность в энергии на перемешивание при анаэробных процессах.

Главный недостаток анаэробных систем — меньшая скорость реакции по сравнению с аэробными процессами, поэтому требуются установки больших размеров.

Системы, использующие анаэробные процессы, стали известны в Европе примерно 100 лет назад. Септиктенки представляли собой отстойники, в которых осевший ид подвергался анаэробной деградации. Качество отделения твердой фракции и сбраживания ила было улучшено с помощью перегородок, регулирующих направление потока внутри отстойников. Впоследствии два этих процесса были разделены и проводились в отдельных отстойниках. Анаэробное сбраживание ила используется для улучшения качества удаляемого ила: уменьшения его массы и количества патогенных микроорганизмов в нем. Септиктенки эксплуатируются обычно при температуре около 35 °C и с большим временем выдерживания (больше 20 сут). При этом не делается попыток создать механизм, удерживающий биомассу на время, большее, чем время пребывания жидкости.

Развитие быстрых анаэробных процессов требует не только оптимизации условий анаэробной биодеградации, но и поддержания высокой концентрации активной биомассы в аппарате. Это относится большей частью к анаэробным системам очистки сточных вод, работающим в мезофильном интервале температур. Существуют также криофильные (работающие при температуре, не превышающей 20 °С) и термофильные (работающие при температуре 55 °C и выше) реакторы; большинство систем, работающих без обогрева (включая септиктенки), относятся к криофильным. Микробная смесь в любом реакторе отражает тип разлагаемой органики и характер условий в реакторе, включая такие, как концентрация питательных веществ, перемешивание и тип вводного устройства.

Преобладающими видами в таких реакторах являются бактерии, однако в силу некоторой специфики продукты жизнедеятельности одних бактерий являются субстратом для других, и, следовательно, должен поддерживаться баланс между численностью бактерий и концентрацией субстрата.

На протяжении долгого времени для описания анаэробного процесса использовалась упрощенная модель, согласно которой сложные молекулы разлагаются до простых (в основном летучих жирных кислот) «кислотообразующими» бактериями, а эти промежуточные соединения разлагаются до метана и С0₂ «метанообразующими» бактериями. Биохимия этого процесса, оказавшегося значительно сложнее, теперь изучена намного более детально. Важнейшими параметрами, регулирующими процесс, служат и промежуточные концентрации летучих жирных кислот.

Изучение термодинамики и кинетики анаэробного процесса показало, что для обычных реакторов с мешалкой, в условиях отсутствия какого-либо удерживания биомассы или рециркуляции, минимальное время пребывания жидкости в аппарате составляет 5 суток. В других системах можно уменьшить время пребывания жидкости за счет увеличения времени пребывания биомассы свыше 5 суток.

Микробиология анаэробной очистки сточных вод. Недавние успехи в изучении микробиологического и биохимического механизмов анаэробного сбраживания дают возможность оптимизации управления процессом, в частности предупреждения нестабильности в работе сбраживателя. Несмотря на развитие современной технологии выделения и культивирования облигатных анаэробов и наличие некоторых данных о составе микробных популяций в сбраживателя х для городских и животноводческих стоков, о таксономии этих микроорганизмов известно пока мало. Хотя биохимические механизмы ферментации в смешанной культуре еще нс вполне изучены, все лучшее понимание этих сложных взаимосвязей порождает доверие к широкомасштабному промышленному применению анаэробного сбраживания загрязнений. Процессы, протекающие в основном в бактериальной биомассе, включают конверсию сложных органических субстратов, таких как полисахариды, липиды и белки, в СН₄ и С0₂. Благодаря тому что бактериальное сообщество может менять используемые пути ферментации, оно функционирует как саморегулирующаяся система, поддерживающая значение pH, окислительно-восстановительного потенциала и термодинамическое равновесие оптимальным для роста образом и, следовательно, обеспечивающая стабильность сбраживателя.

По своим пищевым потребностям эти бактерии могут быть разделены на три обширные группы. Первая включает гидролитические бактерии-бродильшики, обычно называемые ацидогенными, так как они обеспечивают начальный гидролиз субстрата и сбраживание углеводов до низкомолекулярных органических кислот и других малых молекул. Вторая группа представляет собой гетероацетогенные бактерии, которые продуцируют СН₃СООН и Н₂. Третья — это метаногенные микроорганизмы (метаногены), которые продуцируют СН₄. Эта последняя группа может быть в дальнейшем подразделена на потребителей водорода (литотрофов), ук;

Рис. 70. Пути биодеградации субстрата при анаэробном сбраживании.

сусной кислоты (ацетогрофов) и одноуглеродных (С,) соединений (рис. 70).

Синергические эффекты, происходящие при сосуществовании этих групп, например различные скорости потребления субстратов и роста, могут быть объяснены совместным культивированием и возникают в результате взаимодействий, таких как видовой перенос водорода. Субстраты, содержащие серу и азот, могут вызывать рост еще двух дополнительных групп: сульфатрсдуцирующих бактерий и денитрификаторов.

Кроме характера субстрата, на состав популяции в процессе смешанной ферментации также влияют другие условия культивирования. Один из таких параметров — температура. Сбраживатели могут работать в криофильных (не выше 20 °С), мезофильных (20—45 °С) или термофильных (50—65 °С) условиях. Термофильные сбраживатели имеют высокие скорости реакции, но часто получаемая при этом выгода недостаточно велика, чтобы возместить стоимость дополнительной тепловой энергии, необходимой для поддержания более высоких температур. К тому же в этих условиях существует мало разновидностей, которые могут влиять на способность системы адаптироваться к различным субстратам или ингибирующим соединениям.

Поэтому большинство установок в настоящее время работает в температурном интервале 34—38 °С, что экономически выгодно и к тому же допускает существование большего числа видов микроорганизмов. Таким образом, дальнейшая информация будет относиться в основном к мезофильному сбраживанию.

Ниже приведены некоторые продукты анаэробного сбраживания — соединения, образующиеся в количестве, превышающем 0,2 моль на моль субстрата в неперсгруженном анаэробном сбраживателе:

• • органические кислоты — уксусная, пропионовая, масляная, капроновая, муравьиная, молочная, янтарная;
• • спирты и кетоны — метанол, этанол, изопропиловый спирт, бутанол, глицерин, ацетон;
• • газы — водород, метан, С0₂;
• • ферменты — целлюлаза, алкогольдегидрогеназа;
• • витамины — рибофлавин, витамин В₁₂.

Из других продуктов, образующихся в малых количествах, можно назвать малоновую кислоту, некоторые жирные кислоты с более длинной цепью и изомерные жирные кислоты, концентрация которых зависит от характеристик источника питания и культуральных условий.

Микроорганизмы анаэробного ила могут быть как облигатными, так и факультативными анаэробами. При сбраживании в мезофильных условиях размеры популяции гидролитических бактерий колеблются от 10⁵—10⁶ до I0⁸—10⁹ клеток на 1 мл ила. В нем можно обнаружить представителей различных родов, включая образующие и необразующие спор грамположительные палочки, такие как протеолитические Eubacterium, целлюлозолитические Clostridium, облигатные анаэробы, такие как Acetobacterium, Bacteroides и Bifidobacterium и факультативные анаэробы Streptococcus и сем. Enterobacteriaceae.

Грам положительные кокки играют значительную роль в сбраживании стоков свиноферм. Недавние исследования 130 культур, выделенных из таких сбраживатслей, позволили идентифицировать представителей Peptostreptococcus, Eubacterium, Bacteroides, Lactobacillus, Peptococcus, Clostridium, Streptococcus. Гидролитические бактерии используют ряд экзоферментов, таких как протеазы, липазы, амилазы, целлюлазы и пектиназы. Эти ферменты часто видоспецифичны и могут отличаться от таковых у аэробных бактерий. Следовательно, процесс сбраживания представляет собой растворение природных субстратов, таких как белки, липиды, гомои гетерополисахариды (целлюлоза, пектин, крахмал и гем и целлюлоза). Анаэробная биодеградация лигнина не представляется возможной из-за необходимых для этого окислительных условий, хотя недавно сообщалось о биодеградации кониферилового спирта — основного компонента лигнина. Присутствие в качестве интермедиата фенилпропионовой кислоты также подтверждает версию о сбраживании лигнина по побочному метаболическому пути. Кроме природных субстратов, анаэробные популяции разрушают фенолы и серосодержащие соединения, находящиеся в стоках предприятий, осуществляющих такие процессы, как сульфатная варка, газификация угля и нефтехимических производств. Продукты брожения могут меняться в зависимости от вида и штамма бактерий, состава и количества питательных веществ и других параметров культивирования: pH, температуры и окислительно-восстановительного потенциала (Eh). Гомоацидогенные виды, например Acetobacterium woodi, образуют, как правило, видоспецифичные продукты, но описано также много видов гетероацидогенных бактерий, например Lactobacillus brevis.

Даже у гомоацидогснпых видов бактерий могут происходить изменения в составе вырабатываемых продуктов. Например, Clostridium formicoaceticum образует только уксусную кислоту во время логарифмической фазы роста, но начинает синтезировать, кроме того, муравьиную кислоту в стационарной фазе при низких значениях pH. Другие виды в этих условиях синтезируют масляную кислоту.

Важным фактором при гстероацидогенном процессе является концентрация водородных ионов. На ход процесса влияет как pH, так и ре доке потенциал (Eh). Из-за широкого спектра видов, входящих в группу гидролитических ацидогенных бактерий, и их изменчивости они относительно устойчивы к изменениям условий культивирования, часть их — ацидофильна. Отмечалось, что среднее время генерации составляет для них 2—3 ч, т. е. относительно невелико для анаэробных процессов. Однако на эту группу неблагоприятно влияют низкие значения pH и Eh. В случае резкого возрастания концентрации водорода микроорганизмы выбирают альтернативный метаболический путь для того, чтобы, используя более восстановленные соединения, удалять водород и, следовательно, управлять его концентрацией. Например, при нормальном образовании уксусной кислоты из глюкозы получается 4 моль газообразного водорода и 2 моль уксусной кислоты на 1 моль субстрата:

В случае резкого увеличения расхода или концентрации субстрата в сбраживатслс микробная популяция немедленно на это реагирует, образуя избыточные количества Н₂ и СН₂СООН, снижая уровень Eh и pH. Если бы этот процесс продолжался беспрепятственно, то сбраживатель бы «прокис» и перестал работать. Однако ацидогенные бактерии используют управляющие обратные связи и выбирают альтернативные метаболические пути, такие как образование пропионовой и масляной кислот, что помогает восстанавливать стабильность сбраживателя:

Эта роль водорода в управлении синтезом и потреблением промежуточных продуктов объясняет образование некоторых длинноцепочечных (с длиной цепи более 4 атомов водорода) жирных кислот, которые служат для накопления или расходования водорода. Эти процессы будут рассмотрены ниже, когда речь пойдет о II и III трофических группах.

Традиционно считалось, что процесс анаэробного сбраживания включает деятельность двух основных трофических групп — ацидогенных и метаногенных бактерий. Однако позднее стало ясно значение группы гетероацетогенных бактерий (группа II), осуществляющих симбиотическую ацетогенную дегидрогенизацию жирных кислот (с более длинной, чем у уксусной кислоты, цепью) — лимитирующую стадию при образовании метана. Некоторые исследователи выделяют гомоанетогенные бактерии, такие как Acetobacterium woodi, в отдельную четвертую трофическую группу, но в этой книге они включены в группу ацидогенных бактерий (группа I).

Описаны 2 новых вида гетероацетоген ных грам отрицательных бактерий: Syntrophobacter wolinii и Syntrophomonas wolfei. В литературе сообщалось о популяции микроорганизмов этой группы, достигающей численности 4,2* К)⁶ клеток на 1 мл сырого ила, и сейчас осуществляется дальнейшее изучение видов. Именно эти бактерии разлагают жирные кислоты (пропионовую и масляную), некоторые спирты и даже ароматические соединения (бензойную кислоту) в ряде случаев совместно с метаногенами.

Конверсия пропионовой и масляной кислот протекает следующим образом:

Низкое парциальное давление водорода, необходимое для биоконверсии жирных кислот гетероацетогенными бактериями, объясняет, почему они успешно растут только при совместном культивировании с утилизирующими Н₂ метаногенными организмами и почему симбиоз и межвидовой перенос Н₂ усиливают рост представителей обеих трофических групп.

Потребление жирных кислот с длинной цепью в присутствии избытка Н₂ бывает вызвано как гидравлической перегрузкой сбраживателя, так и его перегрузкой по органическому субстрату.

Группой, предварительно перерабатывающей эти кислоты в пригодный для метаногенных организмов субстрат, являются гетероацетоген ные бактерии, образующие СН₃СООН и Н₂, которые могут потребляться микроорганизмами III группы. Однако термодинамические расчеты показывают, что возрастание количества Н₂ прекращает или даже обращает эти реакции. Следовательно, сбраживатсль будет накапливать пропионовую, масляную и высшие жирные кислоты до концентрации нескольких тысяч миллиграммов на литр. Предупреждая остановки процесса от скачкообразных нагрузок или минимизируя их и поддерживая пригодные для культивирования условия, можно добиться того, что процесс постепенно возобновится так, что метаногенные организмы будут использовать Н₂, а гете роа пето ген ные бактерии снова начнут потреблять высшие жирные кислоты. Следовательно, можно предполагать наличие корреляции между присутствием этих кислот и парциальным давлением Н₂ в газовой смеси сбраживателя. С этой точки зрения ранним индикатором перегрузки, вызывающей неизбежную остановку работы сбраживателя, будет концентрация Н₂ в биогазе.

Термодинамические ограничения, обсуждавшиеся выше, обусловливают тесный симбиоз между гетероацетогенными и метаногенными бактериями. Воздействие массопереноса может менять локальную концентрацию Н₂ и влиять на кинетику процесса. Природа описанного синергизма еще полностью не объяснена, поскольку эти бактерии недостаточно таксономически и физиологически охарактеризованы. Различные типы биоэнергетики и уровень продуктивности могут быть видоспецифичны.

Третья (III) трофическая группа определяется на основе специфических субстратов, используемых для образования метана. К подгруппе 111-А относятся хемолитотрофные организмы, они превращают Н₂ и С0₂ в метан, используя газообразный Н₂ как донор электронов:

В результате этой реакции происходит превращение одной молекулы АДФ в АТФ, следовательно, реакция термодинамически выгодна.

Микроорганизмы второй подгруппы 111 — В перерабатывают уксусную и муравьиную кислоты, метанол и метиламины в метан. Уравнение конверсии СН₃СООН выглядит так:

Эта реакция дает только 0,25 моль АТФ и поэтому термодинамически относительно невыгодна.

Приведенные выше реакции нуждаются в специальных метаболических путях и специфичных ферментных кофакторах, которые были идентифицированы для каждой группы. Это, в частности, кофактор F₄₃₀, тстрапиррольный комплекс никеля и кофермент F₄₂₀ — флуоресцирующее соединение сине-зеленого цвета, которое может быть использовано как средство диагностики метаногенов. Вся эта группа в целом проявляет уникальное видовое разнообразие, включая экологическую, физиологическую и морфологическую вариабельность. В нее входят микроорганизмы с клеточной стенкой разного типа, разнообразной морфологии (кокки, палочки, ланцетовидные), одноклеточные и нитчатые, подвижные и неподвижные, мезофильныс и термофильные и т. д.

Клеточные стенки этих организмов содержат пссвдомуреин вместо муреина, характерного для эубактсрий. Пссвдомуреин содержит L-талозаминуроновую кислоту вместо мурамовой. Некоторые из клеточных оболочек построены на основе полипептидов или гликопротеидов. Отличия также наблюдаются в составе липидной фракции и последовательности нуклеотидов в рибосомальной РНК. Поэтому считается, что метаногенные бактерии принадлежат к архебактериям, или археям (Archaebacteria, или Archaea), филогенетически древней группе, включающей также крайне галофильные и термоацидофильные микроорганизмы.

Численность популяции метаногенов в сбраживателе достигает 10⁶— 10^к клеток на I мл сырого ила. Из него выделены представители Methanobacterium, Methanospirillum, Methanococcus, Methanosarcina, Methanothrix. Из них такие виды, как Methanosarcina barken, Methanococcus mazei, Methanothrix soehngenii, демонстрирую! способность расти на уксусной кислоте в чистой культуре с временем удвоения 1 — 10 сут или более. Все известные мстаногенные микроорганизмы, кроме Methanothrix soehngenii, способны к автотрофному потреблению Н₂ и С0₂.

Установлено, что приблизительно 70—75% метана при анаэробной ферментации образуется из СН₃СООН, следовательно, примерно 25—30% синтезируется автотрофно при потреблении С|-сосдинений. Это происходит вопреки термодинамической выгодности хсмолитотрофного метаболизма и показывает, что концентрация водорода должна быть ограничена.

Метаногсны — наиболее капризная с точки зрения культивирования группа среди микроорганизмов, участвующих в анаэробном сбраживании. Для роста они требуют широкого спектра питательных веществ, включая С, Р, N, S, Са, Mg. К, Na, органические субстраты, такие как аминокислоты, втамины и микроэлементы. Очевидно, что Н₂ и С0₂ также являются необходимыми питательными веществами для роста хемолитоавтотрофов.

Большинство мезофильных метаногенов нс будет расти при значениях pH ниже 5,5. Метаболизм Н₂, СН₃СООН и С,-соединений у них зависит от pH. Низкие значения pH в большей степени благоприятствуют восстановлению протона до водорода, нежели его восстановлению в СН₄, и поэтому при таких условиях образование СН₄ обычно приостанавливается. Кроме того, эмпирическим путем было показано наличие верхнего предела pH, равного 8.

Реакторы, применяемые для анаэробной очистки сточных вод. Септиктенк представляет собой реактор без мешалки, который часто работает при температуре ниже 25 °C без какого-либо перемешивания. Объем тенка распределяется между двумя камерами, первая из которых занимает 2/3 объема и имеет наклонное днище для удержания ила. Ил периодически удаляется, обычно раз в год. Некоторое количество ила оставляют в тснкс для поддержания в нем анаэробной активности. Среднее время пребывания клеток микроорганизмов определяется по частоте обезыливания. Таким образом, принимая во внимание, что тенк освобождается от ила раз в год и примерно одна шестая часть ила оставляется для поддержания работы тенка, можно считать, что биомасса остается в системе в течение примерно 50 суток. Если такого времени пребывания достаточно для поддержания метаногенной активности при высоких температурах (35 °С), то при температуре окружающей среды и в отсутствие перемешивания метаногенез протекает слабо.

Септиктенки широко используются в городских очистных станциях и перерабатывают осадки, удаляемые из первичных отстойников, пену и активный ил из вторичных отстойников. Использование анаэробных реакторов для очистки коммунальных стоков основано на небольших ссптиктенках. в которых в качестве источника топлива часто применяется газ. Навозные стоки — результат интенсивного животноводства — имеют характеристики, близкие к характеристикам ила, образующегося при очистке коммунальных сточных вод с высоким содержанием нерастворимых твердых частиц и компонентов, не поддающихся биодеградации. Для очистки этих сточных вод используются сбраживатели, спроектированные так же, как септиктенки для коммунальных стоков.

В настоящее время созданы сбраживатели с флокулированной биомассой, т. е. реакторы, в которых биомасса микроорганизмов могла бы удерживаться и можно было бы избежать вымывания медленно растущих микроорганизмов. Кроме того, имеются реакторы с неподвижной биопленкой, когда биомасса удерживается в прикрепленном к инертному носителю виде и. следовательно, время его пребывания в реакторе больше времени пребывания жидкости. Применяются и другие реакторы для анаэробной очистки сточных вод (реакторы со стационарным нисходящим потоком, реакторы с расширяющимся и пссвдосжиженным слоем и др.). В заключение следует отмстить, что анаэробные процессы очистки сточных вод не получили еще широкого применения несмотря на ряд очевидных преимуществ перед аэробными биологическими и химическими процессами. Главное их преимущество заключается в высокой степени превращения углерода органических веществ, содержащихся во входном потоке, в метан и С0₂. Это уменьшение количества углерода сопровождается уменьшением энергии, которую бактериальная популяция трагиг на образование биомассы, и, следовательно, количество удаляемого избыточного ила меньше, чем в аэробном процессе биоочистки. Кроме того, попутно образуется биогаз, представляющий собой весьма ценное топливо.

Хотя анаэробные реакторы, такие как септиктенки и сбраживатели для коммунальных стоков, широко использовались на протяжении многих лет, чаше всего применяется аэробная очистка сточных вод. Интерес к анаэробной очистке возрос из-за более строгих требований к предварительной очистке промышленных сточных вод перед их сбросом в канализацию, необходимости снижения энергетических затрат на очистку, особенно на очистку сильно загрязненных стоков, и непригодности альтернативных способов очистки для некоторых типов сточных вод.

Последние работы, обеспечивающие лучшее понимание биохимии и микробиологии анаэробных процессов, создали основу эксплуатации и управления реакторами, а инженерные усовершенствования распределительных систем и устройств для контроля и управления обеспечили повышение их надежности.