Файл: Карюхина Т.А. Химия воды и микробиология учебник.pdf

вещества, составляющие осадки и ил (биопленку),— белковоподобные, углеводоподобные и жироподобные ве­ щества, лигнино-гумусовые соединения.

Удобную общую схему метанового брожения предло­ жил Баркер, который рассматривал весь процесс состо­ ящим из двух фаз: кислой и щелочной (или метановой).

В первой фазе, называемой кислой или водородной, из сложных органических веществ — белковоподобных. углеводоподобных и жироподобных — образуются низшие жирные кислоты, спирты, аминокислоты, аммиак, глице­ рин, ацетон, сероводород, С 0 2 и Н2 . По Баркеру, кислую фазу брожения осуществляют бактерии типа молочноки­ слых, уксуснокислых, пропионовокислых и др.

Из полученных промежуточных продуктов распада кислой фазы в щелочной фазе образуются метан и угле­ кислота. Эту фазу брожения осуществляют анаэробы — метанообразугощне бактерии.

Принимается, что скорости превращений веществ в кислой и щелочной фазах одинаковы, а потому в иловой воде метантенка находится мало продуктов первой фазы. Если же происходят какие-либо нарушения процесса вследствие перегрузки метантенка или резкого измене-

196

ния температуры процесса, то нарушается деятельность метановых бактерий, наиболее чувствительных к изме­ нению внешних условий, и в метантенке отмечается на­ растание продуктов кислой фазы. В этом случае говорят о «закисании» метантенка.

Схема Баркера, несмотря на ее логичность, не имеет строгой термодинамической основы, на что указал совет­ ский ученый Г. А. Никитин, однако для осуществления технологического контроля процесса в метантенках пред­ ставление о двух фазах достаточно удобно и им широко пользуются в эксплуатации.

§ 100. Конструктивно-техническое оформление процесса

Процесс сбраживания осадков проводят в ме­ тантенках— закрытых сооружениях, изолированных от доступа воздуха (рис. 40).

Рис. 40. Метантенк

/ — загрузка осадка; 2—паровой инжек­ тор; 3 — выгрузка сброженного осадка; 4 — газ; 5 — пропеллерная мешалка

Трубопроводы подачи сырых осадков и отвода сбро­ женных максимально удаляют друг от друга, чтобы избе­ жать проскока несброженных осадков в отводной трубо­ провод.

Процесс сбраживания проходит удовлетворительно в условиях двух интервалов температур: 30—35°С (мезофильное брожение) и 50—55° С (термофильное броже­ ние). При термофильном брожении скорость процесса распада примерно вдвое выше, чем при мезофильном, а потому вдвое сокращаются потребности в объемах со­ оружений. Дегельминтизация осадков в термофильных •условиях проходит практически полностью, а в мезофильных — только на 50—80%. Однако необходимость подогрева осадков до термофильных температур, особен­ но в зимних условиях, приводит к большим эксплуатаци­ онным затратам. Осадки, сброженные в мезофильных и термофильных условиях, резко различаются по способ­ ности отдавать влагу: мезофильные обезвоживаются

197

легко и их последующее высушивание проходит легче, чем термофильных, отдающих влагу с большим трудом.

При выборе типа сбраживания производят техникоэкономическое сравнение двух вариантов, учитывающее как строительные, так и эксплуатационные затраты не только на'-собственно брожение, но в совокупности с предполагаемым методом дальнейшего обезвоживания сброженных осадков.

Осадки подогревают перегретым паром с температу­ рой примерно 120° С, вводимым в метантенк под давле­ нием около 2 атм. Пар вводят с помощью инжектора, засасывающего осадок из метантенка и подающего его вместе с паром обратно в метантенк.

Метантенки оборудуют мешалками для размешива­ ния корки, образующейся на поверхности бродящей мас­ сы. Корка состоит из легких органических веществ, сце­ ментированных жировыми загрязнениями.

В современных конструкциях метантенков корка не образуется, поскольку горловина метантенка имеет очень небольшую площадь поверхности по отношению к пло­

100 м3/м2 в 1 ч, обеспечивающей эффективное перемеши­ вание («кипение») осадка на поверхности и препятству­ ющей образованию корки.

При загрузке осадка в верхнюю часть сооружения и выгрузке из нижней части осадок движется сверху вниз, перемешивается в противоположном направлении выде­ ляющимися пузырьками газа и одновременно вращается спиралеобразно вследствие работы инжектора. Осадок в метантенке, таким образом, весьма энергично перемеши­ вается и имеет однородную структуру и состав по всему объему сооружения.

Газы брожения, 60—65% которых приходится на метан, имеют теплотворную способность 5000—5500 ккал/м3. Они сжигаются в котельной для получения острого пара, ис­ пользуемого на подогрев осадка в метантенке.

.Если процесс брожения проводится в мезофильных условиях, то количество выделяющихся газов превышает потребное на подогрев метантенка. При термофильном брожении в зимнее время необходимо использование до­ полнительного источника тепла.

198

§ 101. Технологический контроль процесса брожения

Химико-бактериологический анализ процесса сбраживания включает оценку качества твердой, жидкой и газообразной фаз.

Твердая фаза — сухое вещество осадков, загружае­ мых и выгружаемых, анализируется на содержание жиро-, белково- и углеводоподобных веществ.

Содержание жироподобных веществ определяют пу­ тем экстракции их из пробы осадка органическими рас­ творителями, в качестве которых используют смесь сер­ ного эфира и этилового спирта. Экстракцию проводят в условиях кипения растворителя.

Количество белковоподобных веществ определяют по концентрации в пробе общего азота. Пробу гидролизуют горячей серной кислотой, вследствие чего азот органи­ ческих веществ переходит в раствор в аммонийной форме. Количество аммонийного азота определяется пу­ тем отгона и улавливания N H 3 из щелочной среды по­ сле подщелачивания кислой пробы. Поскольку для боль­ шинства белковых веществ азот составляет 16% по весу, количество белковоподобных веществ подсчитывают ум­ ножением количества азота на 6,25.

Содержание углеводоподобных веществ определяют также после гидролиза пробы осадка, т.е. после перево­ да всех сложных углеводов в простые сахара (глюкозу, фруктозу). Количество простых Сахаров определяют осаждением их солями меди.

Сумма указанных трех групп веществ составляет до 80—85% общего количества органической беззольной части осадков. Остальные 15—20% приходятся на лиг- нино-гумусовый комплекс соединений, которые распа­

присутствует огромное количество микроорганизмов, в значительной степени состоящих из белка.

Известны коэффициенты удельного выхода газа при

199

сбраживании единицы веса каждого компонента соеди­ нений. Наибольшее количество газа образуется при бро­ жении жиров (0,92 г/з беззольного вещества), а наимень­ шее— при брожении белков (0,34 г/г). При брожении 1 г углеводов образуется 0,62 г газов. Поэтому в целом осадок из первичных отстойников продуцирует газ

По разнице количеств компонентов в исходном осад­ ке и в сброженном определяют процент распада по каж­ дому компоненту в отдельности; подсчитывают теорети­

Химический анализ осадков проводят один раз в ме­ сяц или даже в квартал, если процесс устойчивый. При нарушениях технологии отдельные анализы выполня­ ют по необходимости.

Повседневный контроль качества осадков включает определения влажности и зольности сырых и сброжен­ ных осадков.

Очевидно, что после сбраживания оба показателя качества осадков изменяются: влажность и зольность увеличиваются. Органическое вещество осадков распа­ дается в метантенках примерно на 40%, при этом про­ дукты распада переходят в газовую и жидкую фазы. Принимают, что количество воды в процессе не меняет­ ся. Оставшиеся 60% нераспавшихся веществ в сумме с неизменяемой зольной частью осадка после сбражива­ ния составляют меньший процент по весу от общего ве­ са, чем до сбраживания, а потому влажность увеличи­ вается. Поскольку оставшаяся после сбраживания ор­ ганическая часть осадка составляет меньшую долю об­ щей массы, чем до сбраживания, это обстоятельство и фиксируется увеличением зольности (до 40—45% в сбро­ женных осадках).

Жидкую фазу (иловую воду) анализируют на реак­ цию среды, содержание жирных кислот, щелочность и азот аммонийных солей после фильтрации пробы бродя­ щей массы через бумажный фильтр. Устойчивый про­ цесс метанообразования обусловливает щелочную реак-

200