Метаногены, используемые в производстве биогаза и очистке сточных вод

Ключевой реакцией, определяющей скорость всего процесса, является реакция превращения водорода, диоксида углерода и ацетата в метан.Разрушение органических веществ при метаногенезе протекает как многоступенчатый процесс, с постепенным разрушением углерод-углеродных связей под действием различных групп микроорганизмов (Рис 2). Рис. 1. Глобальный углеродный цикл Метана.Непрерывная стрелки указывают реакции и пунктирные стрелки указывают диффузии и / или конвекции.3.2. Характеристика метанового брожения«Брожение» метана или биометаногенез — это давно установившийся процесс преобразования биомассы в энергию. Его открыл Вольта в 1776 году, отметивший наличие в болотном газе метана. Биогаз, полученный в результате этого процесса, представляет собой смесь 65 % метана, 30 % двуокиси углерода, 1 % сероводорода (H2S) и небольшого количества азота, кислорода, водорода и окиси углерода. Болотный газ дает голубое пламя и не имеет запаха.Болотный газ дает голубое пламя и не имеет запаха. Его бездымное сгорание доставляет людям гораздо меньше неудобств, чем сжигание дров, навоза жвачных животных или кухонных отходов. Энергия, содержащаяся в 28 м3 биогаза, соответствует энергии 16,8 м3 природного газа, 20,8 л нефти или 18,4 л дизельного топлива.Биометаногенез осуществляется в три стадии: растворение и гидролиз органических соединений, ацидогенез и метаногенез. В преобразовании энергии участвует только половина органического вещества - 1800 ккал/кг сухого вещества по сравнению с 4000 ккал в термохимических процессах, но остатки, или шлаки, метанового "брожения" используются в сельском хозяйстве в качестве удобрений.В процессе биометаногенеза участвуют три группы бактерий. Одни превращают сложные органические субстраты в масляную, пропионовую и молочную кислоты; другие превращают эти органические кислоты в уксусную кислоту, водород и углекислый газ, а затем бактерии, производящие метан, восстанавливают углекислый газ до метана, поглощая водород, которые в противном случае могут ингибировать уксуснокислые бактерии. В 1967 году Брайант и др. обнаружили, что микроорганизмы, продуцирующие уксусную кислоту и метан, образуют симбиоз, ранее считавшийся одним микробом и названный Methanobacillus omelianskii.Процесс анаэробной конверсии органических веществ в биогаз (метановое брожение или биометаногенез) происходит в 4 последовательных этапа (рис. 2):1) стадия гидролиза сложных биополимерных молекул (белков, липидов, полисахаридов и др.) на более простые олиго- и мономеры: аминокислоты, углеводы, жирные кислоты и др.;2) кислотогенная стадия − образовавшиеся мономеры конвертируются бактериями-бродильщиками в ряд простых соединений: летучие жирные кислоты, спирты, молочную кислоту, метанол, СО2, Н2, NH3 и H2S;3) ацетогенная стадия − образовавшиеся на предыдущей стадии продукты конвертируются в ацетат, H2, CO2;4) метаногенная стадия − уксусная кислота, Н2 и СО2, муравьиная кислота и метанол трансформируются в метан и СО2.Все эти изменения осуществляют микроорганизмы (несколько сотен видов), среди которых преобладают бактерии.Рис. 2. Общая схема метаногенезаГидролиз биополимеров осуществляется экзогенными ферментами. Выделены и описаны анаэробные гидролитические бактерии, способные разлагать целлюлозу, крахмал, пектин. ОниотносятсякродамClostridium, Bacteroides, Acetivibrio, Eubacterium, Bacillus, Lactobacillusидр.Самый неизученный процесс – анаэробный гидролиз липидов. Микроорганизмы с липолитической активностью представлены клостридиями и микрококками.Стадия гидролиза при метановом брожении тесно связана с кислотогенной стадией (брожением). Подавляющая часть бактерий-бродильщиков является анаэробами (Clostridium, Bacteroides, Eubacterium и др.). Ацетогенные бактерии (Syntrophomonas, Syntrophobacter)осуществляют разложение продуктов кислотогенной стадии, а фактически подготавливают субстрат, пригодный для жизнедеятельности метанобразующих бактерий, которые завершают процесс распада органического вещества в анаэробных условиях.Промышленное применение систем анаэробного разложения постоянно расширяется в связи с растущими требованиями энергоэффективности процессов, в частности при очистке сильно загрязненных сточных вод, возможностью получения альтернативного топлива - биогаза, неадекватностью других методов очистки некоторые сточные воды и появление высокоэффективных анаэробных реакторов следующего поколения.Глава 4. Примеры проектов по очистке сточных вод.Установка по очистке сточных вод La Farfana (Сантьяго, Чили) (рис. 3). Установка по очистке сточных вод La Farfana перерабатывает более 60 % (8,8 куб. м в секунду [м3 /с]) сточных вод в агломерации Сантьяго. На этом объекте кроме того производится очистка полученного в анаэробных реакторах биогаза до степени пригодной для использования в городском хозяйстве, путем последовательной очистки, включающей стадии сжатия и осушения для удаления влаги, обработки в биореакторе и сепараторе, удаляющей 95 процентов сероводорода (H2 S), и термического окисления, удаляющего CO2 и остаточные кислород и азот. Рис. 3. Установка по очистке сточных вод La Farfana (Сантьяго, Чили).Установка по очистке сточных вод Arrudas (Сабара, Бразилия) (рис. 4).Установка по очистке сточных вод Arrudas находится в городе Сабара, Бразилия. Она обслуживает около 1,5 млн человек в Белу-Оризонти. Установка - станция аэрации сточных вод активным илом с пропускной способностью 3,3 м3/с (предельный расчетный расход 4,5 м3 /с), использующую анаэробные реакторы для сбраживания осадка. Биогаз из анаэробного сбраживания улавливается, затем очищается от H2 S и используется для генерации тепла и электрической энергии в системе ТЭЦ для нужд очистных сооружений. ТЭЦ состоит из 12 микротурбин мощностью 200 кВт, обеспечивающих общую производительность выработки электроэнергии 2,4 МВт. Вся вырабатываемая электроэнергия используется для собственных нужд и обеспечивает 90 процентов потребностей установки. Горячий газ из микротурбин проходит через теплообменники и используется для нагрева рециркулирующего ила из биореакторов для оптимизации производства биогаза. Проект выработки электроэнергии из биогаза стартовал в 2011 г.Рис. 4. Установка по очистке сточных вод Arrudas (Сабара, Бразилия)ЗаключениеТаким образом, в завершении данной работы можно подвести обобщающие выводы.Отличие метаногенов от других организмов очень четкое: все метаногены — это микроорганизмы, образующие как основной продукт катаболизма метан. Никакие другие организмы кроме метаногенов не попадают в эту категорию.В группу входят бактерии с разной морфологией: прямые или изогнутые палочки разной длины; клетки неправильной формы, близкие к коккам; скрученные формы.Метаногены используют узкий круг соединений в качестве источника углерода и энергии для роста.Метаногены могут существовать в экстремальных условиях жизниИзучение этих микроорганизмов актуально в наше время, так как они являются малоизученными формами (из-за высокой чувствительности к кислороду) и продуцентами метана (биогаза), который человек использует в своей деятельности. А также метаногены играют важную роль в круговороте веществ.Анаэробная очистка сточных вод имеет определенные преимущества и недостатки:· в процессе не образуется много избыточного активного ила, следовательно, нет проблем с его утилизацией;· 89% энергии процесса идет на выработку метана;· такой способ очистки возможен только при небольших концентрациях субстрата;· достаточно небольшая скорость прироста биомассы;· более простое устройство оборудование по сравнению с аэробной очисткой.Вышеупомянутый метод применим, когда концентрация некоторых загрязняющих веществ не превышает допустимого уровня. В большинстве случаев необходимо провести три-четыре стадии предварительной очистки сточных вод для достижения необходимого содержания тех или иных веществ. Кроме того, для сброса уже очищенных сточных вод в водоем после биологических очистных сооружений часто необходима их дополнительная очистка (например, путем озонирования или УФ-облучения).Список литературы:1. Биологическая очистка сточных вод. Мосин О.В. [Электронный ресурс] —Режим доступа. — URL:http://www.o8ode.ru/article/planetwa/oprecnenie/biologi4eckaa_o4ictka_cto4nyh_vod.htm (дата обращения 12.12.2014).2. Макаренко Э.Н. Использование симбиоза микробных ассоциаций дляинтенсификации биологической очистки сточных вод / Э.Н. Макаренко,Н.И. Касторной, Н.В. Смолина. Ставрополь: Изд-во СевКавГТУ, 2003. —С. 32 – 36.3. Нюансы очистки сточных вод [Электронный ресурс] — Режим доступа. —URL: http://kanalizaciya-expert.ru/naruzhnaya/stochnye-vody/ochistnyesooruzheniya-kanalizacii-99 (дата обращения 02.12.2014).4. Очистка сточных вод. Биологические и химические процессы/ М. Хенце,П. Армоэс, Й. Ля-Кур-Янсен, Э. Арван. М.: Мир, 2004. — 480 c.5. Процессы и аппараты защиты гидросферы — Ветошкин А.Г.[Электронный ресурс] — Режим доступа. — URL:http://bookbk.net/book/127-processy-i-apparaty-zashhity-gidrosfery-vetoshkinag/7-14-metody-i-sposoby-ochistki-stochnyx-vod-ot-primesej.html (датаобращения 14.11.2014).6. Современные методы интенсификации работы аэротенков на очистныхсооружениях больших городов: обзорная информация / В.И. Калицун,В.Н. Николаев, В.Д. Журавлѐв, М.Г. Картавцева. М.: МГЦНТИ. — 1985. —Вып. 6. — 24 с.__7. Васильев Г.В., Ласков Ю.М., «Водное хозяйство и очистка сточных вод предприятий текстильной промышленности». М.: Легкая индустрия, 1976.8. Вишаренко В.С. «Принципы управления качеством окружающей среды городов. Урбоэкопогия.» М.: Наука. 1990.9. Стольберг Ф.В. «Экология города» учебник. К.: Либра. 2000.10. Трочешников Н.С., Родионов А.И., Кельцев И.В., «Техника защиты окружающей среды» Учебное пособие для ВУЗов. - М.: Химия, 1981.11. Юрьев Б.Т. «Очистка сточных вод малых объектов». Рига, Авотс, 1983.12. Чудакова О.Г., Бескровныи? Д.В. Анализ и оценка сточных вод. Метантенки. // Вестник технологического университета. - 2016. - Т. 19. - No 16. - С. 293-295.13. Гюнтер Л. И., Гольдфарб Л. Л. Метантенки. М.: Строи?издат, 1991. 128 с.14. Гюнтер Л. И. Роль углеводов, жиров и белков в газообразовании при сбраживании канализационных осадков в метантенках // Городская канализация: сб. научн. тр. М.-Л.: ОНТИ АКХ им. К.Д. Памфилова, 1961. Вып. VІ. С. 158-170.15. Чеботаева М. Очистка сточных вод / пер. с нем. СПб.: Новыи? журнал, 2013. 496 с.16. Прикладная экобиотехнология: учебное пособие: в 2 т., т. 1 / А. Е. Кузнецов. М.: БИНОМ. Лаборатория знании?, 2010. 629 с.17. http://mastrerkon.ru/metantenki/18. https://studfiles.net/preview/5865387/page:7/