СПОСОБ ОЧИСТКИ ФРАКЦИИ НАВОЗНОГО СТОКА ПРЕПРИЯТИЙ АПК, СТОЧНОЙ ВОДЫ ЖКХ И ВОДОКАНАЛОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МЕТАНОВОГО БРОЖЕНИЯ
METHOD OF PURIFICATION OF FRACTION OF MANURE RUNOFF OF AGROINDUSTRIAL COMPLEX ENTERPRISES, WASTEWATER OF HOUSING AND PUBLIC UTILITIES AND WATER AND WASTEWATER TREATMENT PLANTS USING METHANE FERMENTATION

Изобретение относится к технической биоэнергетике и касается очистки стоков и получению биогаза путем метанового сбраживания органических веществ сточных вод агропромышленного комплекса, в частности жидкой фракции навоза животноводческих ферм, а также отходов растительного и животного происхождения микробиологической и пищевой промышленностей, легкой промышленности (текстильная, кожевенная, переработка шерсти), сточной воды жилищно-коммунального хозяйства (ЖКХ). Метановое брожение сточных вод с органическими загрязнителями касается и одновременного получения биологически активной питьевой воды.
2
2
2
Достижения научно-технического прогресса коррелируются с ростом антропогенных изменений в природе. Немалую роль в этом оказали в первую очередь отходы сельского хозяйства, в частности животноводческих ферм. Важно отметить, что животноводство во всем мире представляет собой самый большой антропогенный источник метана, который приблизительно в 23 раза опаснее для климата, чем CO. Метан - парниковый газ и им до 20% обусловлен парниковый эффект, поскольку в атмосфере он под воздействием солнечных лучей, озона и радикалов медленно окисляется на СО и НО.
Сельское хозяйство относится к основным потребителям пресной воды, запасы которой в мире неуклонно снижаются. Подсчитано, что ресурсы пресной воды могут быть исчерпаны уже в этом столетии. Дефицит пресной воды в мире - прежде всего следствие безвозвратного ее потребления, все возрастающего загрязнения природных вод агропромышленными и бытовыми стоками, а также необходимостью многократного разбавления ею сточных вод перед сбросом их в водоемы. Сточные воды в большинстве случаев представляют собой сложную физико-химическую систему. Например, жидкая фракция навоза крупного рогатого скота (КРС) кроме значительного количества растворенных загрязнителей органической и неорганической природы содержит трудно разлагаемые лигноцеллюлозные частицы навоза, а также микробные загрязнители и яйца гельминтов. Наряду с загрязнением гидросферы животноводческие стоки оказывают отрицательное влияние на качество атмосферного воздуха, поскольку они являются источниками разнообразных газов со специфическим запахом, например, выделяют в атмосферу из навозохранилищ загрязняющие атмосферу газообразные вещества (сероводород, аммиак), обусловливают попадание в воздушную среду микробных загрязнителей сточной воды, которые могут вызвать более 100 заболеваний животных. Эти микробные загрязнители воздушного бассейна также негативно влияют на человека.
В природе деструкция сложного комплекса органических загрязнителей сточных вод принадлежит микроорганизмам, обитающим на различных экологических нишах и вовлекающим их в свой метаболизм. Важно отметить, что с помощью аэробной очистки не всегда удается добиться полной биодеструкции органических загрязнителей сточных вод.
3
3
3
Вместе с тем, фундаментальные исследования в области трансформации микроорганизмами сложного комплекса органических соединений сточной воды привели к созданию экологически безопасной и экономически выгодной природоохранной технологии - анаэробной биологической очистки сточных вод, осуществляемой анаэробным активным илом, представляющим собой, биоценоз анаэробных бактерий, осуществляющих метановое сбраживание концентрированных органических субстратов. Конечными продуктами метанового брожения сточных вод с органическими загрязнителями являются биогаз с содержанием метана до 70% и более, а также вода, частично очищенная от органических загрязнителей. По теплоте сгорания 1,0 м биогаза эквивалентен 0,8 м природного газа; 0,7 кг мазута; 0,6 кг бензина и 1,5 кг дров (в абсолютно сухом состоянии; из 1 м биогаза генератор может вырабатывать до 2 кВт электроэнергии). Следует иметь в виду, что потенциал органических субстратов, который можно использовать для выработки биогаза составляет около 86% для сельского хозяйства и около 8% для коммунальных отходов и пищевой промышленности.
Метановое брожение проводится в анаэробном биореакторе и, как уже отмечалось, осуществляется сложным биоценозом анаэробных бактерий, условно разделяющихся на углеводсбраживающие, аммонифицирующие, сульфатвосстанавливающие и метанобразующие (метаногены). Последние непосредственно проводят заключительную стадию конверсии органических веществ сточной воды в метан. В конце метанового брожения наблюдается существенное снижение содержания в сточной воде органических веществ и небольшое уменьшение образовавшихся в начале процесса брожения летучих жирных кислот (ЛЖК), общего азота, аммиака. Наряду с конверсией органических загрязнителей при метаногенезе на 50% сокращается содержание растворимых солей тяжелых металлов. Интересно отметить, что в процессе метанового брожения вся микрофлора и яйца гельминтов сброженной сточной воды погибают.
2
Важно отметить, что характер сбраживаемого субстрата и условия, создаваемые в анаэробном биореакторе, определяют преобладание тех или иных видов анаэробных бактерий, участвующих в метановом брожении. Однако ключевую роль играют метановые археи родов Methanosarcina, Methanosaeta (Methanothrix), Methanomicrobium и другие. В настоящее время выявлено до 40 видов метанобразующих бактерий, которые филогенетически весьма неоднородны, но в то же время имеющие ряд общих особенностей. Это касается состава клеточной стенки, транскрипции и трансляции, простетических групп ферментов, механизма автотрофной фиксации СО, а также способа получения энергии из возобновляемого сырья, т.е. донором водорода могут быть органические вещества среды. Надо отдать должное метаногены используют в энергетических реакциях только простые соединения: низшие жирные кислоты и соответствующие спирты.
2
Большинство метаногенов мезофиллы с оптимумом роста в интервале 34-36°C и pH 6,5-7,5, хотя имеются термофилы (55-57°C). Поскольку метаногены строгие анаэробы и кислород для них является ядом, то активность их роста и развития зависят от показателя окислительно-восстановительного потенциала (ОВП) среды. Установлено, что они активно растут и развиваются при ОВП около -300 мВ. В зависимости от производственной потребности процесс метанового брожения может проводиться в режиме периодического или непрерывного действия, осуществляемого путем выгрузки определенного объема отработавшего в биореакторе вещества с одновременной загрузкой такого же объема свежего материала. Это обеспечивает большее снижение ХПК и соответственно больший выход метана. ХПК (мг О/л воды) - это количество кислорода, эквивалентное количеству расходуемого окислителя, необходимого для окисления всех восстановленных сточных вод. Чем выше этот показатель, тем грязнее вода. Эффективность очистки сточной воды зависит от степени адаптации биоценоза анаэробных бактерий к сбраживаемому субстрату.
12
Анализ литературы по метановому брожению с несомненностью указывает, что основной проблемой анаэробно-аэробной технологии очистки стоков является очень медленное формирование биоценоза анаэробных бактерий вследствие низкой физиолого-биохимической активности анаэробных бактерий сообщества. Важно отметить, что метаногены растут и размножаются медленнее анаэробных бактерий сообщества и поэтому они определяют интенсивность всего процесса брожения (1 - Воробьева Л.И. Научные основы получения кормовых препаратов витамина B. /1 - Доклады АН СССР. М., 1987; 2 - Кузнецов А.Е. Синицин А.В. Анаэробно-аэробная технология очистки сточных вод для пивоваренных предприятий. /Пиво и напитки. 2005, 4, 18-21). Из анализа цитируемых работ следует, что устойчивый процесс метанового брожения возможен только при обеспечении необходимых условий для интенсивного развития метанобразующих бактерий. Установлено, что рост бактерий метанового сообщества зависит от поступления питательных веществ, включая органические вещества и минеральные соли. Экспериментально зафиксировано, что необходимыми факторами роста биоценоза анаэробных бактерий, являются аминокислоты, витамины, соединения биогенных металлов: K, Mg, Fe, Cu, Zn, Mn и другие. Отдельно следует указать, что метаногенная активность анаэробного ила зависит от его метаболитов. Так установлено, что метаногенная активность анаэробного ила зависит от количества летучих жирных кислот (ЛЖК). Экспериментальные факты указывают на то, что чем их больше, тем выше метаногенная активность (Hulshaf, 1989).
Разработанные способы очистки и утилизации стоков агропромышленного комплекса, включающего кроме сельского хозяйства пищевую промышленность, и ЖКХ требуют огромных затрат, сложного оборудования и проводятся по сложным технологиям. В ранее цитируемой работе (Кузнецов А.Е, Синицын А.В./Пиво и напитки. 2005, 4, 18-21) предложена схема биологической очистки сточных вод пивоваренной промышленности, осуществляемый в анаэробном и аэробном биореакторах, выполненных из легированной стали и имеющих высокую стоимость. Согласно биологическому способу очистки метановое брожение - предварительная ступень перед аэробной очисткой, в основе которой лежат процессы, обусловленные присутствием микроорганизмов активного ила, являющегося смешанной культурой, состоящей из различных систематических групп - бактерий, актиномицетов, грибов, водорослей и членистоногих. Основу биомассы составляют бактерии. Заключительная стадия очистки стоков осуществляется в аэробном биореакторе при продувке воздуха.
Следует отметить, что анаэробный способ очистки стоков отличается от аэробного способа значительно меньшей скоростью накопления биомассы активного ила. Так, при метановом брожении образуется анаэробного избыточного ила в среднем до 0,04 кг биомассы/кг ХПК, в то время как при аэробной очистке формируется приблизительно в 10 раз больше аэробного избыточного ила, который необходимо обезвоживать и обезвреживать, что представляет возникшую новую экологическую проблему.
2
Рассматриваемый способ очистки сточных вод имеет следующие недостатки: 1) необходимость разбавления высококонцентрированных стоков для очистных сооружений ведет к увеличению объема перерабатываемых стоков и увеличению очистных сооружений; повышению потребления технологической воды; 2) высокая потребность в электроэнергии до 5-8 кВт·ч/кг ХПК; 3) образование большого количества избыточного аэробного ила, который обусловливает возникновение новой экологической проблемы (требует его утилизации или захоронения); 4) для осуществления рассматриваемого способа требуются большие площади - 1 кг ХПК/м; 5) очищенная сточная вода сбрасывается в рыболовные пруды.
3
3
3
В патенте РФ №1838415 предложен способ получения биогаза с использованием в качестве субстрата ацетонобутиловой барды с содержанием 1,93% сухих веществ. Субстрат обогащается метиловым спиртом в количестве 1,0% от объема сбраживаемой барды и хлористым кобальтом 10 г на 1 м барды. Согласно способу каждый 1,0 м барды образует 12,5 м метана.
3
3
Способ имеет следующие недостатки: 1) медленное формирование биоценоза анаэробных бактерий обусловливает применением в большом количестве дорогостоящих реагентов - метилового спирта и хлористого кобальта; 2) ограниченность области применения способа - только ацетонобутиловая барда; 3) низкий выход биогаза с единицы сбраживаемой барды - 12,5 м/м.
10
В патентах РФ №2115657 и №2266683 для стимуляции метанового брожения применяют смешанолигандное комплексное соединение цинка с ПАБК (парааминобензойная кислота, витамин В) и глицином. Биокомплекс готовится отдельно и его раствором обогащается сбраживаемая среда. С использованием этого биокомплекса цинка в количестве 0,5 мг/л в сбраживаемых средах достигается более глубокое их выбраживание, сопровождаемое увеличением выхода биогаза. Важно отметить, что несмотря на использование указанного регулятора метаболизма бактерий количественный выход биогаза в основном зависит от природы сырья. Так при сбраживании ацетонобутиловой барды выход биогаза составлял 16,5 л/л субстрата против контроля 12 л/л; спиртовой барды (л/л) - 25 против контроля 22; коровий навоз (л/л) - 29 против контроля - 27.
Недостатки способа обусловлены: 1) большими расходами смешанолигандного комплексного соединения цинка; 2) основной недостаток способа в том, что он не обеспечивает получения не только физиологически полноценной питьевой воды, но и технологической воды; 3) очищенный сток сливается в рыболовные пруды.
Известен способ очистки сточных вод, загрязненных органическими веществами (патент Литовской Республики LT 51612), заменивший заключительную стадию очистки сточной воды (аэробный процесс очистки стоков) на электроплазменную технологию. Этот способ очистки сточных вод по наибольшему числу сходных признаков и достигнутому положительному эффекту рассматривается в качестве прототипа предлагаемого изобретения.
Согласно аналогу-прототипу технологическая очистка сточных вод от органических загрязнителей включает следующие основные операции. Сточная вода с высокой концентрацией органических веществ сначала разбавляется технологической водой основного производства и с помощью различных реактивов регулируется pH сточной воды до 7-8. После этого сточная вода направляется в предварительно инокулированный консорциумом (биоценозом) анаэробных бактерий биореактор из нержавеющей стали, в котором осуществляют предварительную очистку сточной воды при 33-35°C методом метанового брожения. После окончания брожения осуществляют доочистку сточной воды от образовавшихся суспензий и остаточных взвешенных веществ путем ее фильтрования. Следует отметить, что обеззараживание сточной воды, выходящей из анаэробного биореактора, достигается ультрафиолетовым облучением. Согласно цитируемому способу сточные воды перед направлением в анаэробный биореактор обогащают предшественниками активных центров внутриклеточных ферментов, усиливающих интенсивность метанового брожения. Для усиления брожения используют известные (патент РФ №2115657) смешанолигандные комплексные соединения Mg, Mn, Fe, Co, Сu в концентрации от 0,00014 до 0,494 г/л субстрата (дано по металлу). Следует отметить, что молекулярный состав биокомплексов и способ их приготовления в аналоге-прототипе не указаны. Окончательную очистку стоков вместо аэробного биореактора осуществляют, обрабатывая водный поток, выходящий из анаэробного биореактора, импульсными электроплазменными разрядами с дополнительным наложением внешнего магнитного поля. Для более полной очистки сточной воды от органических загрязнителей она перед обработкой электроплазменными разрядами подвергается электрокоагуляции и электрофлотации с последующим отстаиванием образовавшегося органического шлама, который после выпадения в осадок собирают в шламосборник. При необходимости небольшими порциями вводят коагулянт-катализатор в активном состоянии.
Недостатками способа являются: 1) использование без указания состава молекул смешанолигандных комплексных соединений пяти биогенных металлов, взятых из действующего патента РФ №2115657. Отсутствие указания о составе биокомплексов не представляет возможности их использования в способе для очистки промышленных стоков с разным составом органических загрязнений. Это связано с тем, что каждый сток обусловливает использование определенного состава молекул биокомплексов. Иначе возможно ингибирование процессов метанового брожения; 2) способ весьма энергозатратен; 3) разбавление технологической водой сточной воды существенно увеличивает объем воды для метанового брожения; 4) медленное формирование биоценоза анаэробных бактерий; 5) отсутствие способа регулирования метаболизма анаэробных бактерий сообщества; 6) указанное в способе оборудование промышленностью не производится и поэтому использование этого способа для очистки сточных вод агропромышленного комплекса и ЖКХ не представляется возможным; 7) главным недостатком способа является то, что он не позволяет получать физиологически полноценную питьевую воду.
Анализ изложенного материала указывает, что рассматриваемые аналоги имеют общие недостатки, обусловленные низкой физиолого-биохимической активностью биоценоза анаэробных бактерий, следствием которой является невысокая степень интенсификации сбраживания сточной воды, а следовательно, не полное решение экологической задачи очистки стока. Кроме того, рассматриваемые аналоги не позволяют получать из сточной воды физиологически полноценную питьевую воду.
В этой связи коллективом авторов настоящего изобретения в целях создания и внедрения высокоэффективных технологий переработки и утилизации техногенных образований и отходов, позволяющих рационально и основательно решать проблему, была разработана в рамках ФЦП "Исследования и разработка по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы" тематика: "Создание малоотходного экологичного энергоресурсосберегающего утилизирующего комплекса многоцелевого назначения (МЭЭУК МН) для агропромышленных холдингов, предприятий пищевой промышленности, жилищно-коммунального хозяйства и водоканалов". (Заявка зарегистрирована Министерством образования и науки РФ за номером 14092 от 15.07.2011 г. и была официально размещена на его сайте). Настоящее изобретение, наряду с приведенными в описании и другими работами авторов и коллег, является по существу основой для решения данной глобальной проблемы.
2
Техническим результатом предлагаемого изобретения являются: ускорение формирования биоценоза анаэробных бактерий с повышенным уровнем физиолого-биохимической активности, приводящего к усилению репродуктивности анаэробных бактерий на 10-15%, обладающих повышенным на 25-60% уровнем каталитического действия; интенсификация метанового брожения и увеличение глубины брожения сбраживаемого субстрата, приводящих к увеличению выхода биогаза с содержанием метана более 75%, к стабилизации брожения и снижению энергозатрат; сокращение продолжительности выхода анаэробного биореактора на проектный режим при его первичном запуске или после длительной остановки процесса брожения; снижение концентрации органических загрязнителей в жидкой фракции стока до 78%, что дает возможность удалить из технологической цепи дорогостоящий аэробный процесс очистки стоков из биореактора, в котором он осуществляется, а также связанных с аэробным илом экологических проблем; получение высокоурожайных экологически чистых минералоорганических удобрений, содержащих физиологически активные микроудобрения, позволяющие получать высокие урожаи с повышенной биологической ценностью при сниженной продолжительности времени (до 18-21 суток) созреванияурожая; снижение себестоимости конечных продуктов. Предлагаемое изобретение позволяет получать оборотное водоснабжение с возможностью получения физиологически полноценной биологически активной питьевой воды. Под термином «биологическая активность воды» понимается приобретенное в результате внешних факторов свойство НО - влиять на процессы жизнедеятельности биологических объектов.
Технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе получение биогаза и физиологически полноценной питьевой воды обусловлены следующими последовательными операциями технологии очистки сточной воды: 1 - кавитационная обработка сточной воды; 2 - отдельное приготовление биологически активной воды; 3 - разбавление ее в 10-30 раз в анаэробном биореакторе кавитационно обработанной сточной водой; 4 - внесение в сбраживаемую среду посевного материала с повышенной физиолого-биохимической активностью, обеспечивающего интенсивное метановое брожение, 5 - обогащение в биореакторе сбраживаемой среды биологически активными веществами (БАВ), обеспечивающими повышение анаэробным бактериям консорциума физиолого-биохимической активности и ведение с ними интенсивного метанового брожения, обусловившего более глубокое сбраживание сточной воды; 6 - сушка выработанного биогаза и его последующее использование в различных энергетических технологических операциях предприятия; 7 - получение возвратной технологической воды, достигаемое посредством фильтрации, вышедшей из анаэробного биореактора сброженной сточной воды и отделение от нее твердых частиц навозного стока; 8 - осадок на фильтрующем материале направляется для приготовления высокоурожайных минерально-органических удобрений, фильтрат представляет собой возвратную технологическую воду; 9 - получение физиологически полноценной и биологически активной питьевой воды, достигаемое путем фильтрации полученной технологической воды.
Итак, сущность первой операции технологии очистки жидкой фракции навозного стока состоит в ее кавитационной обработке, приводящей к обогащению сбраживаемой среды энергетическими и питательными веществами, которые образуются при разрушении сложных углеводов до уровня мономерных субъединиц; разложение клетчатки на простые сахара, разрушение полисахаридов на сахара и жиров на жирные кислоты, белков до аминокислот, а также деструкция токсичных веществ, например пестицидов и хлорорганических соединений на не токсичные вещества. Особенность образуемых перечисленных питательных веществ является хорошая их ассимиляция анаэробными бактериями сообщества. Кроме того, имеет место частичная деструкция частиц растительных отходов, сопровождаемая разрушением целлюлозы, гемицеллюлозы и частично лигнина до ассимилируемых бактериями углеводов. Следует также отметить, что при кавитационной обработке сточной воды имеет место последовательная деградация структурных элементов клеток микробного загрязнения, обогащающих сток минорными количествами углеводов, аминокислот, макро- и микроэлементами и т.д. Практическое получение перечисленных признаков обогащения сбраживаемой среды энергетическими и питательными веществами и деградации клеток микробного загрязнения служит основными критериями при выборе способов проведения кавитационной обработки стоков. Целесообразно проведение кавитационной обработки стоков обеспечением одновременного воздействия на водную среду ультразвуковых колебаний различной частоты, направленных навстречу друг другу: предпочтителен вариант, когда основная высокочастотная частота колебаний составляет 1,8 кГц, а частота колебаний, создаваемая низкочастотным источником, составляет 18 кГц при достижении в обрабатываемой среде индекса кавитации, равного 0,15-0,5 (Патент 2467956). Возможно проведение кавитационной обработки стоков гидродинамическим роторным кавитатором со ступенчатым повышением pH и с обеспечением гибели патогенной флоры по методу, изложенному в Патенте 2328450.
Особого внимания заслуживает вопрос, связанный с тем, что загрузка анаэробного биореактора кавитационно обработанной жидкой фракцией навоза осуществляется совместно с растительными частицами навозного стока, подвергшимися измельчению и диспергации с размером частиц 0,1 мк и выше и используемые в дальнейшем для приготовления органических удобрений, в которых эти дисперсные частицы выполняют функцию рекультиватора почв.
Обращаем внимание, при внесении этой дисперсной фазы в анаэробный биоректор следует помнить, что для обеспечения свободного перемещения фаз при газообразовании верхняя граница органических отходов в биореакторе должна составлять 10-15% от объема сбраживаемого субстрата.
Важно отметить, что среди глин медицинского назначения наибольшей позитивной эффективностью воздействия на биосистемы обладает черная глина вследствие содержания широкого спектра структурных примесей: кварца, Fe, Mg, Ca, Sr, AL и Si в виде оксидов и гидроксидов, мало растворимых в воде, что в свою очередь потребовало разработки способа получения растворимых соединений перечисленных металлов в воде. Имеются сведения, что черная глина из-за большого в ней содержания структурных примесей является средством, нормализующим клеточный обмен веществ, активирующим процессы детоксикации и кровообращения.
Возвращаясь к технологической операции приготовления биологически активной воды, следует отметить, что она приготовляется в отдельной емкости по способу, согласно которому сначала производилось смешивание порошка черной или голубой глины с 10% муравьиной кислотой при соотношении объемов глины и раствора кислоты 1:1,5-2,0. В результате смешивания 10%-ной муравьиной кислоты с порошком голубой или черной глины происходит стерилизация глины, а также взаимодействие кислоты с гидроксидами или оксидами металлов примесных веществ с образованием формиатов, находящихся на поверхности частиц порошка глины и хорошо растворимых в воде.
3
2-
3
2
3
Перед смешиванием порошка глины с 10%-ной муравьиной кислотой в эту 10%-ную кислоту вносился силикат натрия в количестве 20 мг/дм (расчетный интервал потребления для человека 20-40 мг/день). Полученную смесь перемешивали, в результате реакции муравьиной кислоты с силикатом кремния образуется органическое соединение кремния - производный формиат кремния, который формируется путем замещения остатком SiO  у 2-х молекул кислоты по гидроксилу. Производное формиата кремния имеет вид (НСО)SiO.
Полученный тестообразный порошок глины затем сушили на воздухе при комнатной температуре 22±2°C в течение 24-х часов. Затем глину прогревали при температуре выше температуры разложения кислоты (100,8°C), но при общепринятых режимах стерилизации, т.е в интервале температуры от 120 до 140°C в течение 5-10 минут (2-ой этап стерилизации порошка). Из физических свойств муравьиной кислоты представляет интерес то, что температура ее кипения (100,8°C) практически совпадает с температурой кипения воды (100°C). Интересно отметить, что температура плавления муравьиной кислоты равна 8,4°C, а ее соли характеризуются более высокими значениями температуры плавления и высокой растворимостью в воде (Р. Досон, Д. Элиот, У. Элиот, К. Джонсон. Справочник Биохимика. Издательство «МИР» 1991, стр.48, 49). Следовательно, при прогреве обработанного порошка глины имеет место как выкипание воды, так и разложение свободной кислоты, протекающей с выделением диоксида углерода и водорода. Следует отметить, что при выкипании свободной воды формиаты осаждаются на поверхности частиц глины.
После охлаждения подготовленной массы глины с формиатами она используется в качестве информационной матрицы, обеспечивающей изменение физико-химических показателей воды и ее биологической активности.
Обобщая изложенный материал, можно констатировать, что получение водорастворимых соединений примесных металлов глины, находящихся в ней в виде нерастворимых или мало растворимых в воде оксидов и гидроксидов, достигается путем смешивания порошка глины с 10% муравьиной кислотой при соотношении объемов 1:1,5-2,0. В результате реакции кислоты с оксидами и гидроксидами образуются водорастворимые формиаты металлов, ассимилируемые анаэробными бактериями.
2
3
3
Одновременно порошок обогащался производным формиата кремния, получаемого путем растворения в 10% кислоте силиката натрия (NaSiO) с концентрацией 20 мг/дм (по кремнию). Результатом их взаимодействия является продукт реакции - производное формиата кремния, локализованного также на поверхности частиц глины. Потенцирование исследуемой воды с помощью подготовленной массы глины осуществляется через создание дисперсной системы, в которой частицы глины (дисперсная фаза) с этой водой образуют большое количество поверхностей раздела, являющихся местом растворения ранее сформированных формиатов.
Обращаем внимание на то, что концентрированная муравьиная кислота (80%) при попадании на кожу вызывает сильные ожоги, что обусловило использование 10% муравьиной кислоты, которая при этой концентрации обеспечивает стерилизацию глины.
Несколько слов о действии кремния на организм. Использование кремния для обогащения воды обусловлено его широким спектром фармакологического действия на организм человека и животных. Так кремний в метаболических процессах организма тесно связан с обменом микроэлементов Ca, K, Cl, F, Na, S, Al, Mo, Со. Его соединения играют существенную роль во всех метаболических процессах живого организма, но особенно - в метаболизме липидов. Следует отметить, что в клетках кремний накапливается преимущественно в ядрах и митохондриях. [Воронков М.Г. Зелчан Г.И., Лукевиц Э.Я. Кремний и жизнь (Биохимия, фармокология и токсикология соединений кремния. Рига: Знание, 1978, 587 стр.]. Рекомендуемая ежесуточная норма потребления кремния для человека составляет 20-30 мг/сутки.
2
После охлаждения подготовленной массы глины с формиатами она используется в качестве информационной матрицы, обеспечивающей изменение физико-химических показателей воды и ее биологической активности. Для этого обработанный порошок глины помещается в емкость с водопроводной или технологической водой и тщательно перемешивается до образования взвеси. После самоосаждения частиц глины вода декантируется. Доказано, что декантированная вода структурирована и обладает биологической активностью. Под термином "структурированная вода" понимается измененное, по сравнению с обычной водой, под воздействием магнитного поля ее молекулярное строение. (Патент Ю.И. Шишкова, WO 2009101528 А4 "Структурированная вода, обработанная импульсными электроплазменными разрядами"). Под термином «биологическая активность воды» понимается приобретенное в результате воздействия на нее внешних факторов свойство НО влиять на процессы жизнедеятельности живого организма. Экспериментально установлено, что оптимальное значение окислительно-восстановительного потенциала (ОВП) внутренней среды организма человека, измеренное в системе платина - хлорсеребряный электрод, варьируется в пределах -50÷-100 мВ. Однако по данным других исследователей этот показатель находится в интервале от -50 до -70 мВ. Интересно отметить, что оптимальное значение ОВП полученной биологически активной воды равно -51,7 мВ. Высокая отрицательная величина ОВП указывает на наличие в воде свободных электронов и, чем больше отрицательное его значение, тем более высокой энергией эти электроны обладают. Отсюда следует, что электронодонорное свойство воды и энергия ее электронов являются важнейшими характеристиками внутренней среды организма, поскольку они напрямую связаны с фундаментальными процессами его жизнедеятельности. Наблюдаемый в эксперименте высокий отрицательный ОВП активированной воды указывает на более высокую энергию ее электронов, чем у воды контроля (чистая водопроводная или технологическая вода). Следовательно, у структурированной активной воды возрастают восстановительные свойства, повышающие жизнедеятельность организма, подтверждаемые модельными экспериментами на животных и дрожжах при приготовлении пшеничого хлеба. У животных, употреблявших активную воду вместо водопроводной воды, повысилась физическая выносливость и адаптационная способность приблизительно на 31% по сравнению с контрольными животными, пившими водопроводную воду. Пшеничный хлеб, выпеченный на активной воде, по качественным показателям превосходил контрольный образец хлеба, приготовленный на водопроводной воде. (Ю.И. Шишков, В.В. Голубев "Взаимосвязь энергетического гомеостаза и антиоксидантного статуса организма с замедлением процессов его старения", Международная научно-практическая конференция, "Россия-ЕС: сотрудничество по инвестициям и инновациям в области повышения здоровья населения и противодействия старению", 26-27 января 2012 г., г. Брюссель).
Итак, надосадочная вода характеризуется как структурированная и биологически активная вода, содержащая формиаты биогенных металлов. Перед началом метанового брожения декантированная активная вода направляется в биореактор, в котором она разбавляется в 10-30 раз кавитационно обработанной сточной водой. В соответствии с современными представлениями активная вода придает сточной воде свойства биологически активной структурированной воды, которая при воздействии на организм усиливает его биохимическую функцию.
Из всех известных механизмов регуляции обмена веществ биосистем (биологических систем) считают решающими механизмы, которые определяют биохимическую функцию организма. На основе изучения индукции и репрессии, и представлений белкового синтеза создана система представлений о регуляции активности внутриклеточных ферментов. К таким регуляторным механизмам относится индукция синтеза одного или нескольких ферментов компонентами питательной среды либо модуляция активности уже присутствующих в клетке ферментов.
-11
-18
Представляется, что структурированная сточная вода через перевод внутриклеточных ферментных систем бактерий, включая анаэробные бактерии сообщества, в конформационно-неравновесное состояние способствует повышению их активности, в свою очередь, отражающейся на интенсивности метаболизма живого организма. Отметим следующее, в биореакторе активная вода разбавляется сточной водой в 10-30 раз, обогащаясь при этом формиатами биогенных металлов в сверхнизких концентрациях. Важно подчеркнуть, что в последнее время формируется новое направление в науке о живых системах, связанное с явлениями, обусловленными влиянием ультранизких концентраций (10-10 М) различных БАВ и ультраслабых физических полей на биосистемы - от молекулярных до популяционных (Бурлакова Е.Б., Конрадов А.А., Мальцева Е.П. «Действие сверхмалых доз биологически активных веществ и низко интенсивных физических факторов» /Химическая физика. 2003, т.22, №2; Панасюк А.Л. "Формирование биологически активной воды", журнал "Пиво и напитки", 2009 г.). По данным цитируемой литературы эффекты сверхмалых доз в биосистемах связаны с образованием новой структуры воды как при растворении в ней веществ, так при значительном ее разбавлении. В анаэробных бактериях формиаты разрушаются на ион металла и формиат-ион, которые используются этими организмами в различных метаболических процессах. Так ионы металлов вовлекаются в биосинтез ферментов, а отрицательно заряженный формиат образует активное соединение с тетрагидрофолиевой кислотой, через которую он участвует в синтезе пуринов и образовании формилметионина-т-РНК, инициирующего синтез полипептидных цепей, а также вовлекается организмом в синтез других важнейших для него соединений, получаемых при протекании биосинтетических реакций.
Заслуживает внимания тот факт, что в отличие от анаэробных бактерий сообщества метаногены ассимилируют формиат в качестве источника углерода для синтеза метана.
Упомянув о действии формиатов металлов на организм, можно отметить, что с целью увеличения интенсивности белкового и углеводного обмена всех анаэробных бактерий консорциума питательная среда должна быть обогащена регуляторами их метаболизма. Поэтому в сточную воду помимо формиатов металлов дополнительно вносилась смесь биологически активных веществ (БАВ). Эти БАВ являются органической формой биогенных металлов (Co, Cu, Mg, Mn, Fe, Zn, Se), имеющих координативную или ковалентную связь с органическими соединениями. Соединения, входящие в состав смеси БАВ, были приготовлены по способам, описанным в наших действующих патентах РФ №2115657 и №2266683. В отличие от прототипа эти соединения не являются предшественниками активных центров внутриклеточных ферментов, а представляют собой транспортные средства по доставке в клетку биологически активных веществ (БАВ), вовлекаемых ею в различные процессы метаболизма. Доказано, что биогенные металлы органической формы с указанными химическими связями транспортируются в клетки по механизму активного трансмембранного переноса с затратой энергии, создаваемой на мембране градиентом электрохимического потенциала, т.е. трансмембранный перенос в клетку этих соединений может осуществляться против градиента концентрации. Итогом их участия в процессах метаболизма является корригирование физиолого-биохимической активности клеток и соответственно интенсивности их метаболизма.
•
Обращаем внимание на то, что синтезируемые сукцинат железа в дозе 10 мг/л (по железу) и производное селеноцистеина с концентрацией 1,0 мкг/л (по селену) по способам, описанным в цитируемых патентах, в организме формируют соединения, которые с химической позиции обладают способностью участвовать в окислительно-восстановительных реакциях гомолитического (радикального) типа. В таких реакциях эти соединения выступают в роли восстановителя (донора электрона) по отношению к какому-либо радикальному субстрату R, переходя при этом в свою окисленную форму. Таким образом, формируемые этими биогенными металлами соединения антиоксидантного действия уменьшают кумулятивные эффекты от окислительных повреждений, способных привести даже к гибели клеток.
Для усиления антиоксидантной защиты метаногенов от негативного действия кислорода сбраживаемая вода дополнительно обогащалась аквакомплексным соединением меди с витамином С. Отметим, что молекула воды в молекуле комплекса крайне лабильна и обеспечивает активный трансмембранный перенос комплекса в клетки. Концентрация аквакомплекса меди в среде 0,00014 г/л (по меди), в то время как токсическое действие меди на бактерии сообщества составляет 170-300 мг/л (или 0,17-0,3 г/л). В организме аскорбат меди разлагается на ионы меди и аскарбиновую кислоту - витамин С, участвующие в различных процессах. Если биологическая роль высвободившейся в организме аскорбиновой кислоты связана с участием в окислительно-восстановительных процессах, то ионы двухвалентной меди вовлекаются организмом в формирование простетических групп некоторых ферментов, например, медь входит в состав простетических групп оксидаз (тирокиназа, аскорбатоксидаза и цитохромоксидаза).
Итак, аскорбиновая кислота согласно химическим свойствам способна обратимо окисляться в дегидроаскорбиновую кислоту, образуя окислительно-восстановительную систему, связанную с отщеплением и присоединением электронов и протонов. Окисление может быть вызвано различными факторами, в частности кислородом воздуха, перекисью водорода и др. Таким образом, аскорбиновая кислота проявляет четко выраженные антиоксидантные свойства. Для повышения антиоксидантного статуса анаэробных бактерий сообщества в состав водной смеси БАВ было внесено производное сеноцистеина совместно с побочными продуктами реакции образования этого соединения. Следует особо отметить, что в организме производное селеноцистеина участвует в биосинтезе повышенной активности ключевого фермента антиоксидантного ряда организма - глутатионпероксидазы. При этом в организме побочный продукт - окисленная форма глутатиона восстанавливается и его восстановленная форма является антиоксидантом. Таким образом, формируемые антиоксиданты повышают антиоксидантный статус консорциума анаэробных бактерии, следствием которого являются, во-первых, устранение нарушений у самих анаэробных бактерий, во вторых, с ростом антиоксидантного статуса у них увеличивается активность биотрансформации находящихся в воде пестицидов и хлорорганических соединений. Ранее было обнаружено, что эти соединения биотрансформируют до 20% находящихся в водной среде пестицидов и хлорорганических соединений.
Известно, что антибиотики поступают с жидкую среду навоза от животных, которым прописаны антибиотики. Установлено, что антибиотики сбраживаемого субстрата угнетают активность ферментов у анаэробных бактерий консорциума или полностью прекращают их действие и в результате нарушается нормальный обмен веществ в организме, следствием которого является снижение активности метанового брожения или его прекращение. Однако с ростом антиоксидантного статуса предупреждается вызываемые антибиотиками нарушения в организме и он функционирует на уровне физиологической нормы.
2+
12
12
12
12
12
Кобальт (Со) стимулирует процессы распада углеводов. Доказано, что аквааминное соединение кобальта транспортируется в клетку по механизму активного трансмембранного переноса с использованием энергии, создаваемого на мембране градиента электрохимического потенциала. Концентрации кобальта в сбраживаемом субстрате обычно соответствует 0,00014 г/л среды. Он оказывает влияние на белковый обмен, активирует аргиназу. Установлено, что кобальт входит в состав цианкобаламина (витамина В), который синтезируется, в частности метаногенами. Биологическая роль этого витамина в организме связана не свободным витамином B, а с так называемыми В - коферментами. Поэтому химические реакции, в которых витамин В принимает участие как кофермент, условно делят на две группы в соответствии с его химической природой. К первой группе относятся реакции трансметилирования, где он выполняет роль промежуточного переносчика метильной группы (сюда относится реакция синтеза ацетата - важного продукта питания для бактерий метанового брожения). Вторая группа реакций заключается в переносе водорода и образовании новой углеродводородной связи. Лечебный эффект витамина В не рассматривается.
В состав смеси БАВ были включены в строго определенной концентрации: сукцинат цинка в количестве 0,00045 г/л (по цинку), смешанолигандное соединение магния с никотинамидом - витамин В5 и глицином в дозе 0,49 г/л (по магнию), аквакомплекс марганца с пантотеновой кислотой и цистеином в количестве 0,25 г/л (по марганцу), сукцинат железа в дозе 0.0010 г/л (по железу) и аквааминный комплекс кобальта с глицином с концентрацией 0,014 г/л (по кобальту).
Обобщая изложенный материал, можно констатировать, что усиление антиоксидантного статуса анаэробных бактерий сообщества - гарантия их защиты от свободнорадикальных реакций, вызывающих те или иные нарушения в организме. Усиление антиоксидантного статуса анаэробных бактерий в совокупности с воздействием формиатов и БАВ на анаэробные бактерии сообщества способствуют корригированию их метаболизма, достигаемое за счет биосинтеза организмом ферментов с повышенным уровнем каталитического действия. Отсюда наблюдается стабильное усиление интенсивных процессов метанового брожения. При этом отмечается прямая коррелятивность между ростом микроорганизмов, их активной жизнедеятельностью и образованием главных и других продуктов метаболизма, влияющих на биосинтез метана метаногенами, поскольку брожение - это внутренний окислительно-восстановительный процесс, называемый также анаэробным дыханием, отличающийся от аэробного дыхания. Это отличие обусловлено весьма существенным различием в природе акцепторов электронов, используемых при аэробном и анаэробном типах брожения. Так при аэробном дыхании акцептором электронов является кислород, в то время как при анаэробном дыхании роль конечного окислителя или акцептора электронов играет обычно какая-нибудь органическая молекула, образуемая в ходе самого брожения. Отсюда под термином «брожение» следует понимать такие энергетические процессы, в которых углеродсодержащие соединения функционируют одновременно как доноры, так и акцепторы электронов.
К настоящему времени установлено, что центральное место в обмене веществ организмов занимают гликолиз и брожение. Гликолиз осуществляет ферментативное анаэробное расщепление углеродсодержащих соединений под действием ферментов. Таким образом, в результате процессов гликолиза и брожения происходит освобождение энергии, заключенной в молекулах углеродсодержащих соединений. Эта энергия частично трансформируется в энергию АТФ, используемую организмом для обеспечения различных физиологических видов работ. В этом случае представляет интерес вносимая в сбраживаемую среду смесь БАВ, способствующая биосинтезу АТФ у анаэробных бактерий приблизительно на 20-30% выше, чем в контроле. Этот принцип, несомненно, работает в отношении метаногенов. Возможность их развития и формирование у них АТФ, с нашей точки зрения, усиливается вследствие повышения антиоксидантного статуса у этих облигатных анаэробов. Представляется, что все это в совокупности обеспечивает биоценозу анаэробных бактерий проведение устойчивого и активного процесса метанового брожения.
Изложенное поясняется экспериментальными фактами, приведенные в примере 1.
Пример 1.
Перед метановым сбраживанием навозного стока производилась обработка ультразвуком 2 л жидкой фракции навоза КРС (крупного рогатого скота). Обработку стока проводили на лабораторной установке Elma 949M в режиме: мощность - 340 Вт, температура 25°C, продолжительность обработки сточной воды с твердыми частицами 1,0 час.
2
Исходное ХПК стока - 4200 мг O/л, взвешенных частиц до 110 мг/л. Обработанная ультразвуком жидкая фракция навоза КРС уменьшила содержание взвешенных частиц до 104 мг/л.
2
3
После окончания обработки стока ультразвуком взято было 10 мл отдельно приготовленной структурированной и биологически активной воды, которую поместили в 2 л стеклянную емкость и разбавили ее в 10 раз обработанным ультразвуком жидкой фракции навоза КРС. Затем в этот раствор добавляли 2 мл указанной ранее смеси БАВ. Раствор тщательно перемешивали и после этого внесли посевной материал - консорциум анаэробных бактерий в количестве 0,3 л (или 30% от объема бродящей среды), взятый с городской очистительной станции. Процесс метанового брожения проводился в мезофильном режиме в течение 2,5 суток. Затем метановое брожение стока проводили с ежесуточной заменой 25% сброженной среды на свежую с добавлением 2 мл раствора БАВ. В качестве свежей среды использовали ранее обработанную ультразвуком жидкую фракцию навоза. Процесс брожения контролировали по значению ХПК. Следует особо отметить, что по истечении 4-х суток метанового брожения навозного стока наблюдалось увеличение биомассы консорциума анаэробных бактерий приблизительно на 20-30%. При этом наблюдалось уменьшение ХПК на 3276 мг О/л, т.е. на 78% от исходной величины ХПК. Выход биогаза составил 0,41 дм/л среды.
Наблюдаемый экспериментальный факт убедительно доказывает, что в анаэробных условиях очистки воды сочетаются два процесса: размножение бактерий с энергичным сбраживанием углеводов. Отсюда можно придти к выводу, что регулирующим фактором, обеспечивающим в значительной мере интенсивное размножение бактерий сообщества, является высокая концентрация питательных веществ в сбраживаемой сточной воде.
Пример 2 (контроль)
В контрольном опыте консорциум анаэробных бактерий выращивали в жидкой фракции навоза КРС, не прошедшего кавитационную обработку, без добавки БАВ и биологически активной воды. Далее сбраживание жидкой фракции навоза проводили по аналогии с опытным вариантом эксперимента.
2
3
В итоге по окончании метанового брожения в контрольном эксперименте наблюдалось снижение ХПК на 1638 мг О/л или 38% от исходного значения. Выход биогаза составил 0,32 дм/л среды. Таким образом, ведение метанового брожения по предлагаемому способу (пример 1) способствует увеличению выброду стока (приблизительно на 40%) и увеличению выхода биогаза на 46% по сравнению с контролем.
Пример 3
Эксперимент проводили по аналогии с примером 1. Отличие состояло в том, что перед кавитационной обработкой навозного стока для выявления в ней микрофлоры отбиралась сточная вода и наносилась на чашки Петри с питательной средой и производилось выращивание микрофлоры. Выращенная микрофлора содержала бактерии группы кишечной палочки, молочнокислые бактерии, клостридии и споры гельминтов. Важно подчеркнуть, что после ультразвуковой обработки навозного стока и его анаэробной очистки микрофлора и споры гельминтов не были жизнеспособными.
Пример 4
Эксперимент проводили по аналогии с примером 3 отличие было в том, что в навозный сток внесли семена злаков: пшеницы и ячменя. Перед началом эксперимента часть семян злаков помещали на фильтровальную бумагу чашек Петри, смоченную водопроводной водой и осуществляли проращивание семян при комнатной температуре. Прорастание семян оценивали по появлению проростков. До ультразвуковой обработки и метанового брожения этого стока все исследуемые семена злаков проросли. После ультразвуковой обработки стока с семенами осуществляли метановое сбраживание навозного стока с семенами злаков. По окончании метанового брожения семена злаков извлекались и помещались в чашки Петри с фильтровальной бумагой, смоченной водопроводной водой. После этого проводили проращивание семян. Однако после указанных технологических операций семена не проросли. Наблюдаемые результаты позволяют сделать вывод, что склероции (спорынья, выросшая на злаковых; примесь склероциев в муке или корме вызывает тяжелое заболевание - эрготизм, ранее «антонов огонь») после метанового сбраживания жидкой фракции навозного стока, проводимого по заявляемой технологической схеме, будут не жизнеспособными. Это особенно важно, если принять во внимание, что по предлагаемой технологии очистки навозного стока будет приготовлено минерально-органическое удобрение.
Таким образом, результаты экспериментов 3-4 свидетельствуют о том, что очистка сточной воды по новой технологической схеме полностью убивают микрофлору и паразиты растительного организма.
Анализ результатов проведенных экспериментов указывает на зависимость регуляции биохимических процессов биоценоза анаэробных бактерий от условий их культивирования, связанной прежде всего с составом питательной среды. Известно, что внешние условия определяют химический состав клеток, в том числе и анаэробных бактерий сообщества, который в свою очередь обусловливает их биохимическую функцию. Эта функция в конечном итоге определяются ферментами, их биосинтезом и уровнем каталитического действия. Оказалось, что под действием смеси БАВ клетки синтезируют ферменты повышенного уровня активности по сравнению с контролем приблизительно на 25-60% при незначительном увеличении биомассы до 10-15% от исходного количества. Следовательно смесь БАВ повышает физиолого-биохимическую активность анаэробных бактерий сообщества.
Следует заметить, что особи популяции имеют различный химический состав, приводящий к разнообразию их физико-химического состояния. Совокупность литературных данных и результатов собственных исследований позволяет сделать вывод, что следствием разнообразия физико-химического состояния особей популяции является и неадекватность степени очистки сточной воды у различных особей этой популяции. Итак, изменение химического состава у отдельных особей консорциума анаэробных бактерий прежде всего отражается на изменении состава клеточной мембраны, а именно на соотношении количества липидов с ненасыщенными жирными кислотами и липидами с насыщенными жирными кислотами. Это отражается на величине биопотенциала поверхностной мембраны. Результаты сравнительных экспериментов, проводимых со смесью БАВ, свидетельствуют о том, что эти изменения состава мембран сопровождаются ростом у них величины отрицательного значения ОВП поверхностной мембраны. Таким образом, увеличение у анаэробных бактерий сообщества отрицательного биопотенциала поверхностных мембран приводит к электростатическому отталкиванию отдельных особей, снижая этим их агглютинацию (агрегацию, склеивание). Отсюда характерной особенностью ключевой группы микробной популяции является то, что поверхность у особей этой группы популяции не блокирована соседними бактериями и поэтому ферменты у них доступны для органических веществ сточной воды. Таким образом, наблюдается тенденция уменьшения ХПК и ЛЖК и, напротив, возрастание выхода биогаза с увеличенным содержанием метана. При этом рост культуры не только не замедляется, но и не прекращается.
12
Иная картина наблюдается у микробов популяции с невысоким значением отрицательного ОВП, т.е. отрицательной величины биопотенциала поверхностной мембраны - они склеиваются в гранулы, также разрушающие органические вещества сточной воды с образованием метана, но уже в меньшей степени, чем не агглютинированные бактерии. Подобная картина имеет место при классическом способе ведения метанового брожения (Lettinga et al., 1980). Установлено, что образуются пористые гранулы величиной 0,5-2,5 мм, в которых количество микроорганизмов варьирует в пределах 1-4·10/1 гр сухих веществ (Raluznhnyl et al. 1996). С образованием гранул имеет место частичное блокирование поверхности особей микробной популяции, а следовательно, доступ субстрата к ферментам анаэробных бактерий консорциума, что естественно отражается на интенсивности метаболизма бактерий и естественно на выходе биогаза. К изложенному следует добавить, что накопление в биореакторе ЛЖК около 200 мг/л вызывает уплотнение гранул, сопровождаемое ухудшением условий доступа субстрата внутриклеточным ферментам, следствием которого является снижение выхода биогаза и степени очистки сточной воды. Содержание в биореакторе ЛЖК может достигать величины 600-1500 мг/л. Кроме того, образовавшиеся гранулы характеризуются высокой способностью к седиментации, что приводит к их выводу из зоны активной конверсии органических загрязнителей стоков в биогаз.
К изложенному следует добавить немаловажный факт, имеющий отношение к рассматриваемой теме. Сущность этого факта состоит во взаимосвязи роста физиолого-биохимической активности анаэробных бактерий консорциума с усилением ассимилирования ими питательных веществ среды, в том числе фосфорсодержащего субстрата, являющегося основным источником образования осадка - струвита, забивающего выходящий трубопровод из анаэробного биореактора. Таким образом, следствием усиления ассимилирования анаэробными бактериями фосфорсодержащих соединений является снижение степени осаждения струвита на выходящих трубопроводах анаэробного биореактора, увеличивая этим продолжительность его работы без капитального ремонта - освобождение от струвита является дорогостоящим мероприятием и продолжительным по времени (от иочистки жидкой фракции навоза и сточных вод ЖКХ свидетельствует о том, что процесс метанообразования практически сразу откликается на изменение физико-химического состояния сбраживаемой среды. Этот отклик анаэробных бактерий сообщества связан с химическим изменением состава организмов, поддерживающим их высокую физиолого-биохимическую активность при пиковых нагрузках на анаэробный биореактор и даже после кратковременных перерывов в подаче сточной воды в биореактор.
Согласно вышеприведенной технологической схеме получения биогаза по способу предлагаемого изобретения образовавшийся в анаэробном реакторе биогаз направляется в аппарат сушки и затем для обеспечения энергией животноводческой фермы или других производств. Предварительно очищенный в анаэробном биореакторе навозный сток направляется на окончательную очистку, осуществляемую использованием фильтров с разными фильтрующими элементами. Снова обращаем внимание на удаление из технологической цепи очистки стоков операции, связанной с аэробным процессом и вызываемыми им проблемами: высокими энергозатратами на аэрацию сточных вод; образованием вторичной экологической проблемы, обусловленной утилизацией вторичных отходов - аэробного активного ила. Согласно технологической схеме аэробный биореактор с активным аэробным илом заменяется фильтром, заполненным специальным фильтрующим элементом.
2
2
3
2
2
Итак, сначала предварительно очищенный сток воды из анаэробного биореактора направляется в фильтр с загрузкой из смеси отработанного порошка черной глины и шунгитового щебня фракцией 20-40 мм. В используемом фильтре толщина слоя смеси, расположенной на металлической или капроновой сетке, не менее 20 см. Чем толще слой, тем качественнее очистка. Расположение фильтрующего материала на сетке позволяет быстро заменять отработанную смесь на новую. Отметим, что основой фильтрующей смеси компонентов является шунгит, представляющий собой природный композит Зажогинского месторождения Республики Карелия. Этот природный композит состоит из аморфной силикатной матрицы, заполненной высокодисперсными кристаллическими частицами алюмосиликатов со средним размером 1,0 мкм. В минеральном составе шунгита содержится в среднем 70% углерода и 30% золы, в составе которой находится 40-50% оксида кремния и 12-25% оксида алюминия. В остальной части минеральной золы содержатся более 20 окислов макро- и микроэлементов, среди которых TiO составляет 0,2%, АlO до 4%, FeO (2,5%), MgO (1,2%), KO (1-6%), NaO (1-5%), S (1%). Количество углерода в шунгите зависит от его месторождения. Основу шунгитового углерода представляет многослойная фуллереновая глобула диаметром 10-30 нм. Фуллерены представляют собой новый особой формы углерод, содержащийся в шунгите до 0,001 мас.%. Фуллерены характеризуются высокой активностью в окислительно-восстановительных процессах, а также обладают адсорбционными, каталитическими свойствами и бактерицидным действием.
Доказано, что уникальные свойства для питьевого водоснабжения: каталитические, сорбционные и бактерицидные свойства шунгиту придают фуллерены. Фуллерены находятся в воде в виде молекулярно-коллоидного раствора, оказывая на организм человека и животных многоплановое целебное действие, в том числе мощное длительное антиоксидантное действие.
2
2
Благодаря обладанию шунгитом каталитических свойств он разрушает разного типа органические вещества до элементарных оксидов (CO, HO). На сегодняшний день установлены следующие органические вещества, разрушаемые шунгитом: фенолы, жирные высокомолекулярные кислоты, спирты, вещества лигноуглеводного комплекса, древесные и торфяные гидролизаты, водорастворимые смолы гидролиза, гуминовые вещества, а также ряд газов. При этом шунгит осаждает (на 70-90%) из воды нерастворимые соли (карбонаты, оксилаты и др.). К изложенному следует добавить литературные сведения, указывающие о разрушении шунгитом нефтепродуктов и его способность нейтрализовать цветность воды.
Важно отметить, что шунгит, разрушая в воде органические вещества, одновременно корректирует ее состав, насыщая полезными микроэлементами.
2
3
Шунгит обладает качествами, необходимыми для хорошего фильтрующего элемента вследствие высокой механической прочности, электропроводности, химической стойкости, мс, но в то же время ему свойственны каталитические и бактерицидные свойства. Шунгит имеет суммарную пористость 5-10% и значительную внутреннюю поверхность 10-30 м/г. насыпную плотность около 1,1 г/см. Изучение физических, химических и биологических свойств шунгита показало, что он вполне пригоден для очистки воды от различных промышленных загрязнителей, а также бытовых стоков. Кроме того, он подвержен многократной регенерации. Доказана возможность использования дробленного шунгита в качестве фильтрующего материла различного типа пропускных систем как на начальной стадии очистки, так и на конечной. Шунгит рекомендован Центром Госсанэпиднадзора Республики Карелия в качестве фильтрующего и сорбирующего материала (гигиеническое заключение №10. КЦ. 31.216. П. 00064. 02.99 от 04.02.99).
Таким образом, прохождение частично загрязненной воды через шунгитовый фильтр обусловливает ее осветление и разложение газов, придающих воде специфические запахи.
Следует отметить и такой немаловажный факт, как структурирование шунгитом очищенной сточной воды. Структурированную воду считают регулятором обмена веществ у биосистем, т.е. регулятором физиолого-биохимической активности клеток.
Другим компонентом фильтрующей смеси 1-го фильтра является порошок черной глины, основа которой каолинит. Высокая удельная поверхность и деформируемость кристаллической структуры каолинита являются основными факторами, определяющими характер образования коагуляционных дисперсий и деформационных процессов, протекающих в них. Обилие сколов кристаллической решетки каолинита и не компенсированных зарядов придает этому виду глины абсорбционные свойства, обусловившие использование отработанного ранее порошка глины в составе фильтра для очистки стоков после метанового брожения и получения технологической воды. Поэтому порошок глины после 3-кратного использования для получения биологически активной воды, разбавленной жидкой фракцией навоза, приводит к ее структурированию и обогащению формиатами биогенных металлов. Отработанный порошок глины сушится на воздухе для последующего использования в качестве фильтрующего материала.
12
Твердые частицы сброженного стока осаждаются на фильтре, осадок отмывается в шламосборнике технологической водой. Освобожденный от осадка фильтрационный элемент снова используется для очистки стока. Полученный осадок на воздухе подсушивается и представляет собой высокоэффективное, экологически чистое органическое удобрение с влажностью 80%, включающее цельные бактерии, их мембраны; продукты лизиса бактерий, а также метаболиты анаэробных бактерий сообщества, метаногены, содержащие витамин B, а также частицы растительных организмов, в том числе частично разрушенные гемицеллюлоза и лигнин. Последующее обогащение этого удобрения предшественниками активных центров окислительно-восстановительных и других внутриклеточных ферментов, используемых в качестве микроудобрения, превращает органическое удобрение в высокоурожайное минерально-органическое удобрение, составляющие которого повышают физиолого-биохимическую активность микроорганизмов при корневой системе. Важно то, что данное органоминеральное удобрение способно формировать в растительном организме полноценный в функциональном отношении фотосинтетический аппарат, вся деятельность которого неразрывно связана с общим метаболизмом растения. Согласно полевым испытаниям данного типа микроудобрения позволяют получать повышенные урожаи сельхозпродуктов (на 20-30%) при сокращении продолжительности его созревания на 15-20 суток. При этом урожай сельхозпродуктов характеризуется не только высокими питательными, вкусовыми и товарными качествами, но и повышенной биологической ценностью, что весьма важно для функционально регулирующей медицины. Таким образом, применение нового органоминерального удобрения является важной составной частью организации эффективной системы сбалансированного питания растений полным комплексом элементов, необходимым при использовании интенсивных технологий возделывания сельскохозяйственных культур.
Важно отметить, что предварительно очищенный в анаэробном биореакторе сток после прохождения через фильтрующую смесь 1-го фильтра приобретает свойства технологической структурированной воды, используемой в оборотном водоснабжении.
Согласно Сан Пин 2.1.4.559-96 шунгит можно использовать для доочистки пищевых жидкостей и воды центрального водоснабжения. Отсюда технологическая вода, выходящая из 1-го фильтра, направляется на рециркуляцию обратно в биореактор и может быть объектом для превращения ее в физиологически полноценную питьевую воду. Это достигается тем, что полученная технологическая вода освобождается от растворенных в воде органических соединений, не трансформированных в 1-ом фильтре. Это достигается путем фильтрации сяэлементом - щебнем шунгита с размером фракции от 20-40 мм и высотой загрузки от 20 до 50 см. (Гигиеническое заключение №121-5/873-6 от 30.10.81 Минздрава СССР).
После прохождения 2-го фильтра с щебнем шунгита технологическая вода доочищается от растворенных органических соединений, приобретая качества физиологически полноценной питьевой воды без специфического запаха, свойственного животноводческим навозным стокам.
Обобщая изложенный материал по модернизированной технологии очистки навозных стоков и стоков ЖКХ, можно придти к выводу, что очистку этих стоков по предложенной технологической схеме можно осуществить с помощью анаэробного биореактора из железобетона, футерованного изнутри полимерным покрытием из полиэтилена низкого давления, что снижает образование струвита на поверхности биореактора. Применение железобетонного анаэробного биореактора вместо анаэробного биореактора из дорогостоящей легированной стали снижает в 3-5 раз затраты на приобретение анаэробного биореактора.
Наблюдаемое существенное увеличение материального обмена между анаэробным бактериальным сообществом и окружающей средой имеет определенные методологические преимущества перед бактериями, не подвергавшимися воздействию указанных БАВ. Высокая степень сокращения ХПК жидкой фракции навоза (до 78%) указывает на то, что одна анаэробная ступень очистки обеспечивает получение очищенной воды, соответствующей нормам нормативной документации рыбохохозяйственных водоемов. В связи с этим отпадает необходимость доочистки сброженного стока с использованием аэробного активного ила. Устранение в технологии доочистки стока с помощью аэробной операции предотвращает 1) возникновение второй экологической проблемы, связанной с утилизацией излишков биомассы активного аэробного ила, 2) снижает энергозатраты на аэрацию активного аэробного ила, 3) устраняет необходимость использования металлоемкого и дорогостоящего аэробного биореактора.
Применение анаэробного биореактора из железобетона и удаление из технологической схемы аэробной очистки стоков и аэробного биореактора - экономически выгодное использование метанового брожения очистки навозных стоков, получения биогаза - источника энергии и экологически чистой воды как технологического назначения, так и физиологически полноценной питьевой воды.