10.4 Анаэробные процедуры
Анаэробное сбраживание (АД) уже давно используется для стабилизации и уменьшения массы ила, в основном из-за простоты эксплуатации, относительно низких затрат и производства биогаза в качестве потенциального источника энергии. Общее стехиометрическое представление анаэробного сбраживания можно описать следующим образом:
$CNHAOB+ (n-a/4-b/2)\ cdot H_2O\ rarr (n/2-a/8+b/4)\ cdot CO_2+ (n/2+a/8-b/4)\ cdot CH4$ (10.4)
Уравнение 10.4 Общий баланс массы биогаза (март 1992 года).
Теоретическая концентрация метана может быть рассчитана следующим образом:
$ [CH_4] =0.5+ (a/4+b/2) /2n$ (10,5)
Уравнение 10.5 Теоретическая ожидаемая концентрация метана в биогазе (март 1992 года).
Конечными продуктами АД являются главным образом неорганический материал (например, минералы), незначительно деградированные органические соединения и биогаз, который обычно состоит из\ > 55% метана (CHSub4/sub) и двуокиси углерода (COSub2/sub), при этом содержание сероводорода (\ 1%) и общего аммиака азота (NHSub3/ Субсуп+/суп/NH4sup+/SUP) (Appels et al. 2008).
** Рис. 10.4** Схематическая диаграмма, показывающая анаэробное разложение органического вещества на основе Garcia et al. (2000)
В процессе АД органический ил претерпевает значительные изменения в своих физических, химических и биологических свойствах и схематически может быть разделен на четыре этапа (рис. 10.4). Первый этап — гидролиз, где сложные органические вещества, такие как липиды, полисахариды, белки и нуклеиновые кислоты, разлагаются в растворимые органические вещества (сахар, аминокислоты и жирные кислоты). Этот шаг обычно считается ограничением скорости (Deublein and Steinhauser 2010). На втором этапе ацидогенеза мономера, образующиеся на первом этапе, еще больше разделяются, а летучие жирные кислоты (VFA) вырабатываются ацидогенными (ферментативными) бактериями наряду с аммиаком, COSub2/Sub, HSub2/Subs и другими побочными продуктами. Третий этап — ацетогенез, где VFA и спирты дополнительно перевариваются ацетогенами для получения преимущественно уксусной кислоты, а также COSub2/Sub и HSub2/Sub. Это преобразование в значительной степени контролируется парциальным давлением HSub2/Sub в смеси. Последним этапом является метаногенез, где метан в основном производится двумя группами метаногенных бактерий: ацетотрофные археи, которые разделяют ацетат на метан и COSub2/Sub, и гидрогенотрофные археи, которые используют водород в качестве донора электронов и углекислый газ в качестве акцептора электронов для производства метана (Appels и др., 2008 год).
Различные факторы, такие как pH осадка, соленость, минеральный состав, температура, скорость загрузки, время удержания гидравлики (HRT), соотношение углерода и азота (C/N) и содержание летучих жирных кислот влияют на усвояемость осадка и производство биогаза (Khalid et al. 2011).
Рис. 10.5 Схема восходящего анаэробного илового реактора (УАСБ)
Анаэробная очистка осадка из РАС началась около 30 лет назад с сообщений об осадках из пресноводных РАС (Ланари и Франчи 1998), а также о морских операциях (Арбив и ван Рейн 1995; Клас и др. 2006; Макдермотт и др. 2001) и солоноватых водных операциях (Гебауэр и Эйкеброкк 2006; Мирзоян и др. 2008). В последнее время было предложено использовать УАСБ (рис. 10.5) для АД шлама РАН с последующим производством биогаза в качестве альтернативного источника энергии (Mirzoyan et al. 2010). Реактор изготовлен из резервуара, часть которого заполнена анаэробным гранулированным иловым одеялом, содержащим активные виды микроорганизмов. Шлам протекает вверх через «микробное одеяло», где он деградируется анаэробными микроорганизмами и образуется биогаз. Перевернутый конусный отстойник в верхней части реактора позволяет сепарацию газа и жидкости. Когда биогаз высвобождается из флока, он ориентируется в конус с помощью дефлекторов, которые должны быть собраны. Медленное смешивание в реакторе происходит от восходящего потока в сочетании с естественным перемещением микробных флоков, прикрепленных к пузырькам биогаза. В какой-то момент флок покидает газовый пузырь и оседает вниз, позволяя сбросить стоки из TSS, которые затем могут быть переработаны обратно в систему или высвобождены. Основными преимуществами УАСБ являются низкие эксплуатационные расходы и простота эксплуатации при обеспечении высокой (\ > 92%) эффективности твердосплавной обработки отходов с низким (1— 3%) содержанием ТСС (Мархаим 1992; Йогев и др. 2017).
Два последних тематических исследования показали использование УАСБ в качестве обработки твердых веществ в пилотном масштабе морских и соленых РАС, которые служат примером потенциальных преимуществ этой установки в аквапонике (Tal et al. 2009; Yogev et al. 2017). Подробный анализ углеродного баланса показал, что около 50% вводимого углерода (из корма) удаляется путем усвоения рыбы и дыхания, 10% удаляется аэробной биодеградацией в нитрификационном биореакторе и 10% удаляется в реакторе денитрификации (Yogev et al. 2017). Таким образом, в целом в реактор УАСБ было внесено около 25% углерода, из которых 12,5% было преобразовано в метан, 7,5% в COSub2/Sub, а остальная часть (\ ~ 5%) оставалась в качестве неразлагаемого углерода в УАСБ. Подводя итог, было продемонстрировано, что использование УАСБ позволило улучшить рециркуляцию воды (\ > 99%), уменьшить (\ 8%) добычу ила по сравнению с типичными РСБУ, которые не имеют твердой обработки на месте, и рекуперацию энергии, которая может составлять 12% от общего спроса на энергию РСБУ. Следует отметить, что использование УАСБ в аквапонике также позволит значительно восстановить до 50% больше питательных веществ, таких как азот, фосфор и калий, поскольку они выделяются в воду в результате твердой биодеградации (Goddek et al. 2018).
Анаэробный мембранный биореактор (AnMBR) является более передовой технологией. Основной процесс состоит в использовании специальной мембраны для отделения твердых веществ от жидкости вместо использования процесса декантирования, как в UASB. Сброжение осадка происходит в простой анаэробной емкости, и стоки оставляют его через мембрану. В зависимости от размера пор мембраны (до 0,1—0,5 мкм) могут сохраняться даже микроорганизмы. Существует два типа мембранного биореактора: один использует режим бокового потока вне резервуара, а другой имеет мембранный блок погружен в резервуар (рис. 10.6), последний является более благоприятным в применении AnMBR благодаря более компактной конфигурации и более низкому энергопотреблению (Chang 2014). Мембраны из различных материалов, таких как керамика или полимерные (например, поливинилиденфторид (PVDF), полиэтилен, полиэфирсульфон (PES), поливинилхлорид (PVC)), могут быть сконфигурированы в качестве пластины и рамы, полых волокон или трубчатых блоков (Gander et al. 2000; Huang et al. AnMBR имеет ряд существенных преимуществ по сравнению с типичными биологическими реакторами, такими как UASB, а именно: развязка (длительное) время удержания осадка (SRT) и (короткое) время пребывания гидравлической системы (HRT), что позволяет преодолеть проблему медленной кинетики процесса AD; очень высокое качество сточных вод, при котором большинство питательные вещества остаются; и удаление патогенов и небольшой след (Judd and Judd 2008). Кроме того, эффективное производство биогаза в AnMBR может привести к чистому энергетическому балансу.
Рис. 10.6 a) Боковой поток MBR с отдельной фильтрующей установкой с оставленной жидкостью, переработанной обратно в биореактор; b) погруженный MBR: фильтрующий блок интегрирован в биореактор. (Гандер и др. 2000)
Хотя эта технология заслуживает большого внимания и исследований, следует отметить, что, поскольку она является достаточно новой технологией, существует ряд существенных недостатков, которые необходимо устранить до того, как AnMBR будет принят в аквакультуре. Это высокие эксплуатационные расходы, связанные с обслуживанием мембран для предотвращения биообрастания, регулярного мембранного обмена и высокой долей CO<sub2/sub (30— 50%) в биогазе, что ограничивает его использование и способствует выбросу парниковых газов (Cui et al. 2003). Позитивным моментом является то, что в ближайшем будущем будут разработаны новые методы предотвращения биозагрязнения, а стоимость мембраны, безусловно, снизится по мере более широкого использования этой технологии. Успешно изучена комбинация УАСУ с мембранным реактором для фильтрации сточных вод УАСУ для удаления органического углерода и азота (An et al. 2009). Такое сочетание представляется перспективным вариантом аквапоники для безопасного и санитарного использования сточных вод УАСБ.
10.4.1 Реализация
Одним из возможных решений внедрения анаэробных реакторов является последовательный подход (см. также [главу 8](/community/articles/chapter-8 - deboupled-aquaponics-systems)). Комбинация «высокий рН — низкий рН» позволяет собирать метан (и, таким образом, уменьшать углерод) на первом этапе с высоким рН и мобилизовывать питательные вещества в декарбонизованном осадке в последующей среде с низким рН. Преимущество этого метода заключается в том, что сокращение выбросов углерода в условиях высокого pH приводит к меньшему количеству VFA, что может произойти на втором этапе низкого pH (рис. 10.7). Этот подход также позволяет совместное пищеварение зеленого растительного вещества (т.е. из любой заготовки растений, будут отходы растительного вещества, которые могут быть помещены через такой реактор) для увеличения как производства биогаза, так и извлечения питательных веществ из общей схемы.
Еще одна возможность технической интеграции была представлена Ayre et al. (2017). Они предлагают сбросить стоки высокоpH анаэробного реактора в водородный водоем. В этом пруде выращиваются водоросли, биомасса которых может использоваться для кормов для животных — аквакультуры или биофертилизации (рис. 10.8). Более подробную информацию об этом подходе можно найти в [главе 11](/community/articles/глава 11-аквапоники - моделирование).
Рис. 10.7 Двухступенчатая анаэробная система. На первом этапе (высокий pH) углерод будет удален из осадка в виде биогаза, тогда как низкий pH на втором этапе позволяет питательным веществам, попадающим в шлам, растворяться в воде. Как правило, летучие жирные кислоты (VFA) формируются в средах с низким рН. Однако удаление источника углерода на первом этапе ограничивает производство VFA в такой последовательной установке
Рис. 10.8 Анаэробная система сбраживания, интегрированная с аквакультурой и водорослями на основе Ayre et al. (2017)