Экосистема анаэробных очистных сооружений

В процессе механической очистки сточных вод значительная часть содержащихся в них загрязнений выпадает в осадок в первичных отстойниках. В процессе биологической очистки образуется активный ил или биопленка, которые выделяются в осадок во вторичных отстойниках. Осадки и ил из отстойников содержат большое количество органических веществ. Дальнейшая переработка осадков осуществляется либо путем сбраживания, либо механического обезвоживания без участия микроорганизмов. Для сбраживания осадков в настоящее время применяется два основных сооружения: метантенк и камера перегнивания осветлителя – перегниватель.

В процессе превращения веществ в метантенке участвуют как органотрофные, так и метатрофные микроорганизмы. Органотрофы расщепляют углеводы, жиры, белки и другие органические соединения, образуя в качестве конечного продукта низкомолекулярные жирные кислоты. Эта фаза в работе метантенка называется стадией кислотообразования или кислотоброжения. Метатрофные микроорганизмы превращают конечные продукты метаболизма органотрофных бактерий в метан и диоксид углерода. Эта фаза называется газообразованием или щелочным брожением. Обе группы бактерий присутствуют в метантенке одновременно, поэтому кислото и газоброжение осуществляются параллельно. При нормальной работе метантенка появляющиеся при кислом брожении продукты успевают перерабатываться бактериями второй фазы, вследствие чего в метантенке процесс обычно идет в стадии щелочного брожения.

Стадия кислотобразования. В стадии кислого брожения в метантенке обнаруживаются разнообразные бактерии, грибы, простейшие. Установлено присутствие в метантенке 50 видов бактерий. Основная роль в процессе разложения органических веществ принадлежит анаэробным бактериям. Анализ субстрата в метантенке показал, что в нем содержатся разнообразные ферменты. В осадке обнаружены различные дегидрогеназы. Химизм анаэробного распада органических веществ во многом подобен аэробному окислению. Конечными продуктами стадии кислотообразования являются жирные кислоты, диоксид углерода и метан. Кроме этого, имеются уксусная, муравьиная, пропионовая и масляная кислоты, спирты, кетоны, ацетон.

Стадия газообразования. Образовавшиеся на первой стадии продукты неполного окисления, такие как низшие жирные кислоты и низшие спирты, подвергаются дальнейшим превращениям, в результате которых в значительных количествах образуются метан и диоксид углерода. Вследствие разрушения органических кислот реакция среды становится щелочной и поэтому вторая стадия называется щелочным брожением. Основную роль на стадии газообразования играют метановые бактерии. Они относятся к строгим анаэробам. В естественных условиях метановые бактерии обычно развиваются совместно с другими анаэробными микроорганизмами и низкий потенциал, необходимый метановым бактериям, создается за счет жизнедеятельности сопутствующей микрофлоры. Процесс образования метана необходим метановым бактериям для получения энергии. Все метановые бактерии могут образовывать метан путем восстановления диоксида углерода водородом, но многие могут продуцировать метан из простых органических соединений.

В зависимости от способности к использованию различных субстратов в качестве источника для образования метана можно метановые бактерии разделить на четыре группы:

1) Бактерии, использующие только водород и диоксид углерода или муравьиную кислоту, но не способные образовывать метан из органических кислот и спиртов.

4Н₂ +СО₂ → СН₄ +2Н₂О или 4НСООН →[4Н₂ +4СО₂] → СН₄ +3СО₂ +2 Н₂О;

2) Кроме первой реакции, бактерии способны образовывать метан из уксусной кислоты

СН₃СООН → СН₄ + СО₂;

3) Кроме первых двух субстратов бактерии способны использовать метанол. Происходит окисление-восстановление двух молекул спирта.

СН₃ОН +СН₃ОН → СН₄ +НСООН +Н₂

НСООН → Н₂ + СО₂ 2 СН₃ОН +2Н2 →2 СН₄ +2Н₂О

4 СН₃ОН = 3СН₄ +СО₂ +2Н₂О

4) Бактерии способны использовать органические кислоты, например

2СН₃СН₂СН₂СООН +СО₂+ Н₂ = 2СН₃СН₂СООН + 2 СН₃СООН + СН₄

Метанообразующие бактерии – конкуренты сульфатредуцирующих. Обычно процессы образования сероводорода и метана взаимно исключают друг друга. В метантенках в первую степень образуется сероводород, во вторую – метан. Конечным продуктам второй стадии является кроме метана и диоксид углерода. Установлено, что 70% метана образуется при разложении уксусной кислоты, 30% - путем синтеза диоксида углерода и водорода. Количественно водородные метанобразующие бактерии преобладают над бактериями, разлагающими жирные кислоты с образованием метана. Процессы в метантенке, как и все анаэробные процессы, идут очень медленно. Выход энергии в анаэробных процессах невелик, а количество энергии, необходимое микроорганизмам для синтеза клеточного вещества такое же, как и у аэробных форм. Поэтому у постоянных обитателей метантенков энергетический обмен преобладает над конструктивным. Скорость реакции в метантенках может быть увеличена путем повышения температуры. Различают мезофильное сбраживание при температуре 30-33⁰С и термофильное при температуре 50-55⁰С. При повышении температуры скорость распада органических веществ увеличивается, сокращается время сбраживания осадка и возрастает доза суточной загрузки в метантенк. Многие продукты анаэробного распада могут быть утилизированы. Выделяющийся метан собирается в газгольдере и используется для отопления очистных сооружений, в том числе на поддерживание требуемой температуры в метантенке. Сброженный осадок после подсушки на иловых площадках или механического обезвоживания может быть использован в качестве удобрения на полях.