Солнечная электростанция 30кВт - бизнес под ключ за 27000$

15.08.2018 Солнце в сеть




Производство оборудования и технологии
Рубрики

Мікробіологічні характеристики біоценозу анаеробного мулу і послідовність біохімічних процесів

Мікробіологічна характеристика анаеробного мулу детально приведена в роботах [211-231].

Хоча в бродячому осаді метантенків, окрім бактерій, виявля­ються найпростіші мікроорганізми та гриби, вважається, що вони потрапляють туди разом з активним мулом або біоплівкою, але іс­тотної ролі в процесах бродіння не відіграють.

Загальна кількість облігатних анаеробів у анаеробному мулі на

1.. 3 порядки перевищує сумарну чисельність факультативних анае­робів і аеробів. Тому вважається, що в основному процес зброджу­вання здійснюється анаеробними формами бактерій.

Бактеріальну мікрофлору анаеробного мулу умовно можна поділити на дві групи. Першу складають бактерії, що використову­ють у конструктивному й енергетичному метаболізмі органічної речовини вихідного субстрату (кислотоутворюючі бактерії, основ­ними кінцевими продуктами життєдіяльності яких є жирні кисло­ти). До другої групи входять специфічні види бактерій, спромож­них перетворювати метаболіти киелотоутворюючих бактерій на кі­нцеві продукти метанового бродіння — метан і двооксид вуглецю (метаноутворюючі або метаногенні бактерії).

Кислотоутворюючі бактерії представлені облігатними та фа­культативними анаеробами. З бродячого осаду різними дослідни­ками виділено від 50 до 92 видів бактерій [3], з яких близько поло­вини складають спороутворюючі форми. До основних належать ба­ктерії родів Clostridium, Bacillus, Pseudomonas, Micrococcus, Bacteroides, Escherichia. Різноманітності видів відповідає різномані­тність фізіологічних особливостей кислотоутворюючих бактерій. Складний хімічний склад осадів обумовлює розвиток у метантенку різних фізіологічних груп бактерій, що піддають компоненти осадів окислювально-відновним перетворенням. Органічні речовини роз­кладаються амоніфікуюними, целюлозними, жиророзщеплюваль­ними, крахмалоокислючими й іншими бактеріями. У анаеробному мулі знайдені денітрифікатори та сульфатредуцируючі бактерії. Серед цих основних фізіологічних груп виявлені види, яки спожи­вають як джерела вуглецю абсолютно певні речовини. Передбача­ють, що макромолекули білків, жирів і вуглеводів руйнуються в ос­новному спороутворюючими бактеріями родів Clostridium (облігат- ні анаероби) і Bacillus (факультативні анаероби). Абсолютно очеви­дно, що значну видову різноманітність біоценозу анаеробного мулу забезпечує його стійкість і спроможність трансформувати складний комплекс сполук різних класів, що знаходяться в осадах стічних вод. Завдяки значній видовій різноманітності та взаємному впливу видів один на одного група кислотоутворюючих бактерій в цілому може здійснювати процес бродіння складних субстратів у досить широкому діапазоні значень pH та окислювально-відновного поте­нціалу. І’етероорганотрофні бактерії цієї групи рясно представлені в осадах стічних вод і спроможні до швидкого розмноження в про­цесі зброджування.

Метанутворюючі бактерії виділені в окреме сімейство Methano-bacteriaceae, що включає три роди: Methanobacterium, Methanococcus, Methanosarcina. Род Methanobacterium включає ви­ди, що мають форму прямих або зігнутих паличок довжиною 3.. .7 мкм, часто утворюючих нитки. Представники роду Methanococcus мають сферичні клітини розміром 0,5… 10 мкм, інколи неправиль­ної форми. Нерухомі бактерії роду Methanosarcina утворюють пра­вильні пакети, що складаються з крупних сферичних клітин розмі­

ром 1,5…2,5 мкм. Окрім приведених у довіднику Бергу родів мета — ноутворюючих бактерій [3], в літературі є відомості про виділення та вивчення ще декількох видів різної морфології, віднесених до родів Methanomicrobium, Methanobacillus, Methanobrevibacter, Methanogenium, Methanospirillum, Methanothrix [3]. Таким чином, хоча види метанутворюючих бактерій не багаточисельні, але мор­фологічно вони досить різноманітні. Всі метаногенні бактерії — об — лігатні анаероби, дуже чутливі до окислювально-відновних умов та активної реакції середовища. Оптимальне значення pH для них об­межене вузьким інтервалом 6,8…7,5, а оптимум окислювально — відновного потенціалу складає від -510 до -590 мВ. Метанотвірні бактерії чутливі до будь-яких окислювачів: навіть за присутності нітратів і сульфатів синтез метану затримується. При цьому слід пі­дкреслити, що в енергетичних реакціях метанутворючи бактерії ви­користовують лише відносно прості сполуки: нижчі жирні кислоти та відповідні спирти. Нездатність метаногенних бактерій до збро­джування складних субстратів обумовлює розвиток їх в екосисте­мах лише у співтоваристві з гетеротрофними мікроорганізмами. Анаеробні гетеротрофні мікроорганізми забезпечують метанутво­рючи бактерії необхідним субстратом, створюючи при цьому спри­ятливі окислювально-відновні умови. Слід зазначити, що вивчення метанутворючих бактерій вельми складно у зв’язку з високою чут­ливістю їх до кисню, повільним розвитком і розмноженням. Вна­слідок цього багато питань, пов’язаних з фізіологією метаногенних бактерій, в даний час до кінця не з’ясовано.

Закономірності біохімічного окислення речовин в анаеробних умовах, послідовність біохімічних перетворень складних органіч­них субстратів розглядається як двохстадійний процес, що включає кислотоутворення та метанутворення.

Завдяки різноманітності фізіологічних груп і метабіотичним взаєминам між окремими видами кислотоутворюючих бактерій бі­охімічної деструкції піддаються всі органічні компоненти відходів. Схема біохімічних процесів бродіння осадів на стадії кислотоутво­рення включає значну кількість можливих шляхів деструкції орга­нічних речовин, утворюючих основні кінцеві продукти розкладання білків, жирів і вуглеводів на першій стадії бродіння. В результаті співтовариство кислотоутворюючих бактерій перетворює білкові сполуки, жири та вуглеводи відходів на нижчі жирні кислоти, спир­ти, аміак, водень і сірководень. Більше 70 % жирних кислот припа­дає на частку оцтової кислоти, приблизно 25 % складають пропіо — нова та масляна кислоти. Окрім того, в процесі кислого бродіння в незначних кількостях утворюється мурашина, валеріанова та кап­ронова кислоти.

Метаболізм специфічних меганутворюючих бактерій вивчався в основному у напрямі дослідження механізму утворення метану. При ферментації оцтової кислоти та метилового спирту метан син­тезується як результат відновлення метальної ірупи

Е„

СН3СООН -» СН4 + С02, (2.6)

Ер

4СН3СООН-> ЗСН, + С02 + 2Н?0, (2.7)

де Е„ — теплова енергія.

Інший механізм утворення метану характерний для тих видів метаногенних бактерій, які не спроможні утилізувати оцтову кис­лоту та метанол. Такі бактерії синтезують метан у результаті відно­влення двооксиду вуглецю за реакцією:

4Н2 + С02 => СН4 + 2Н20. (2.8)

За даними ряду досліджень у різноманітному за складом біо­ценозі до процесу метаноутворення залучаються і складніші речо­вини, такі, як масляна, пропіонова, капронова, валеріанова кислоти і відповідні спирти. Перетворення їх здійснюються за типом реакції (2.8), в якій замість молекулярного водню беруть участь перерахо­вані органічні субстрати — донори електронів.

Таким чином, всі відомі шляхи одержання метану зводяться до реакцій двох типів: відновлення метальної групи оцтової кисло­ти та метанолу й відновлення двооксиду вуглецю, що виконує роль кінцевого акцептора водню.

Вважається, що близько 70 % метану утворюється в результаті реакцій (2.6) і (2.7), останні ЗО % — в ході відновлення двооксиду вуглецю [3J.

Впродовж довгого часу для опису анаеробного процесу вико­ристовувалася спрощена модель, згідно якої складні молекули роз­кладаються до простих (в основному, летких жирних кислот) кис — лотоутворюючими бактеріями, а ці проміжні сполуки розкладають­ся до метану та двооксиду вуглецю метаноутворюючими бактерія­ми. Проте, як було показано вище, біохімія цього процесу тепер представляється складнішою.

Термодинаміка та кінетика анаеробного процесу детально ще не вивчені, проте можливий простий узагальнений аналіз, заснова­ний на звичайній теорії реакторів [1.3, 16, 24, 38, 47, 63, 71, 76, 98, 139].

Для даного субстрату, що розкладається мікроорганізмами, швидкість зміни концентрації субстрату С за часом складає:

Подпись: де т - тривалість, доба; р - максимальна питома швидкість утилізації субстрату, доба . (2 9)

х — коефіцієнт кількості субстрату в реакторі, д. о.;

Кс — концентрація субстрату, при якій швидкість реакції складає поло­вину від максимальної,

С — концентрації субстрату.

Питома швидкість росту мікроорганізмів щ,, знаходиться з рі­вняння:

Подпись: Y dC (2.10)

де Y — коефіцієнт виходу (кількість біомаси, що утворилася на кг спо­житого субстрату).

Отже

image049(211)

Цей спрощений підхід, очевидно, не настільки дієвий при за­стосуванні його до змішаних мікробних культур, що мають місце у

всіх системах очищення стічних вод. Для такої системи із складни­ми внутрішніми взаємозв’язками, як змішана анаеробна культура, ці проблеми з’єднуються із складнощами у визначенні активної бі­омаси та недоліком знань про процеси виробництва і вживання різ­них субстратів. Лімітуючою стадією в схемі біодеградації є, на наш погляд, конверсія ацетату в метан. Для обчислення часу перебуван­ня, необхідного для ефективної біодеірадації мулу, потрібні дані для розрахунку за рівнянням (2.11).

Вік мулу, або середній час перебування клітин Тк, може бути обчислений за рівнянням:

^ = (2.12) ч

де Кр — константа розкладу біомаси, що характеризує процес її відми­рання, добГ1;

ц — питома швидкість росту мікроорганізмів, доб.’1;

Тк — вік мулу, або середній час перебування клітин, доба.

Наближені значення величин в рівняннях (2.10)-(2.11), за літе­ратурними даними, складають:

Y = 0,045; Кр = 0,02 доб. р™ = 8,7 добГ1; Кс=165г/л.

Подпись: Тк = image051 Подпись: (2.13)

Отже, вік мулу, або середній час перебування клітин стано­вить:

Для низьких концентрацій ацетату, які можуть зустрічатися в звичайних комунальних метантенках, значення Кс и С, близькі, і, отже, Тк складатиме приблизно 0,5 діб. Для систем з високою кон­центрацією ацетату (> 200 мг/л) значення Тк знижуються до 0,25 доби. Проте за присутності органічних сполук, які з великими тру­днощами піддаються біодеградації, наприклад жирних кислот з до­вгим ланцюгом, для яких Кс складає понад 2000 мг/л, Тк може до­сягати 0,5 діб. Значна частина летючих кислот у неперевантажених реакторах має невелику молекулярну масу, що забезпечує значення Тк не більше 0,5 діб.

image053

Отже, для звичайних реакторів з мішалкою в умовах відсутно­сті якого-небудь утримування біомаси або рециркуляції мінімаль­ний час перебування рідини в апараті складає 0,5 доби. У інших си­стемах можна зменшити час перебування рідини за рахунок збіль­шення часу перебування біомаси понад 0,5 доби.

Моделі анаеробних систем можуть бути використані для про­гнозування швидкості утилізації субстрату, приросту біомаси та утворення кінцевих продуктів, а також для проектування й оптимі — зації очисних систем.

Загальний час перебування осаду, необхідний для анаеробного метаногенезу, визначається із загальних кінетичних рівнянь. Для визначення ж швидкостей окремих проміжних реакцій потрібні складніші моделі.

Подпись: dx dt image055 Подпись: (2.14)

Введення коефіцієнта виходу Y до рівняння (2.9) дозволяє пе­ретворити його на рівняння швидкості зростання біомаси

Це рівняння може бути надалі уточнене введенням коефіцієн­та, що враховує енергію, яка використовується самими бактеріями, коефіцієнта розпаду, що враховує відмирання бактерій, або коефі­цієнта підтримки.

Подпись: dx dt image057 Подпись: (2.15)

У будь-якому разі до рівняння (2.14) вводиться додаткова зіс- тавна Ь, яка враховує ендогенне дихання

image059 Подпись: (2.16)

де b — додаткова зіставна, доб-1. Отже

У стаціонарному стані

Субстрат

t, °С

Y, кг/кг

Рш, доб. 1

Кс, мг/л

Ь, доб. 1

Оцтова кислота

35

0,04

8,1

154

0,019

ЗО

0,054

4,8

333

0,037

25

0,05

4,7

869

0,011

Пропіонова кислота

35

0,042

9,6

32

0.010

25

0,051

9,8

613

0,040

Вищі жирні кислоти

35

0,047

15,6

5

0,027

35

0,12

3,67

680

0,015

25

0,12

4,65

1270

0.015

Глюкоза

20

0,12

3,85

1580

0,015

де Т — номінальний час перебування рідини в реакторі або середній час перебування клітин в проточному реакторі з мішалкою, доб.-1.

У табл. 2.4 приводяться значення кінетичних констант, визна­чених в стаціонарному стані.

Таблиця 1.4 — Значення кінетичних констант

Не дивлячись на обмеження в точності визначення кінетичних параметрів, їх можна використовувати при проведенні розрахунків.

Прості рівняння типу (2.9)-(2.11) працюють незадовільно для великомасштабних зброджувачів через інгібірування за типом зво­ротного зв’язку та нестаціонарних умов [3] .

Подпись: dC <3т image062 Подпись: (2.17)

Математичний опис інгібірування ферменту субстратом ви­значається шляхом перетворення рівняння (2.9) до виду

де Кі — константа інгібірування.

Оставить комментарий