Биохимические методы очистки сточных вод - файл n1.doc. Биохимические (биологические) методы очистки Биохимические методы очистки сточных вод

Широко применяют для очистки хозяйственно-бытовых и промышленных сточных вод от многих растворённых органических и некоторых неорганических веществ (H2S; сульфидов; NH3; нитритов и др.).

Процесс очистки основан на способности микроорганизмов использовать эти вещества для питания в процессе жизнедеятельности, т.к. органические вещества для них являются источником углерода.

Достоинства: несложное аппаратное оформление, невысокие эксплуатационные затраты.

Недостатки: большие капитальные затраты, необходимость предварительного удаления токсичных веществ, строгое соблюдение технологического режима очистки. Сточные воды характеризуются: БПК – биохимическая потребность в O 2 . мг O 2 / г или мг O 2 / л не включая процессы нитрификации. ХПК – потребность O2 для окисления всех востановителей. ХПК > БПК.

Если в присутствии O 2 – то аэробный процесс (t o =20-40 o С). Если в отсутствии O 2 – то анаэробный (для обезвреживания остатков).

При биохимической очистке вещества, содержащиеся в сточных водах не утилизируют, а перерабатывают в избыточный ил, так же требующий обезвреживания. Активный ил (буровато-жёлтые комочки) представляет собой сложный комплекс микроорганизмов различных классов, простейших микроскопических червей, инфузорий, водорослей, дрожжи и др. Хороший источник C – ненасыщенные органические соединения.

Насыщенные органические соединения труднее усваиваются.

В клетку легко проникают растворённые органические вещества, углеводороды; труднее вещества, молекулы которых содержат полярные группы, этанол > этиленгликоль > глицерин сахара, имеющие несколько оксигрупп. Ещё медленнее диффундируют в клетку. Жирные кислоты > окси-кислоты > аминокислоты. Ионы аммония легко проникают в клетку!

Способность микроорганизмов к адаптации обеспечивают широкое распространение биологической очистки сточных вод.

Чем хуже осушается ил, тем более высокий его иловый индекс. I гр. БПКполн/ХПК =0,2 – группа сточных вод (пищевая промышленность, спск, белково-витаминн…). Органические загрязнения этой группы не токсичны для микробов. II гр. БПКполн/ХПК =0,10-0,02 – Сточные воды коксования, сланцевые, содовые воды. Эти воды после механической очистки могут быть направлены на биохимическое окисление. III гр. БПКполн/ХПК =0,01-0,001 – сточные воды чёрной металлургии, сульфид, хлорид, ПАВ и др. Необходима механическая очистка и физико-химическая очистка. IV гр. БПКполн/ХПК Турбулизация (интенсивное перемешивание, активный ил находится во взвешенном состоянии) сточных вод увеличивает объём поступление питательных веществ и O2 к микроорганизмам, что повышает скорость очистки сточных вод.

Доза активного или зависит от илового индекса.

Чем меньше иловый индекс, тем большую дозу активного или необходимо подавать.

Увеличение t o => увеличивает объём биохимической реакции. t o > 30 o может погубить микроорганизмы. Практически 20-30 o . Ядом для активного ила – соли тяжёлых металлов. Соли этих металлов снижают скорость очистки (Sb, Ag, Cu, Hg, Co, Ni, Pb и т.д).

Для окисления органических вещёств микроорганизмами необходим O 2 ; растворённый в сточных водах, т.е. аэрация – растворение O 2 в H 2 O.

Для успешного протекания реакций биохимического окисления необходимо присутствие в сточных водах соединений биогенных элементов и микроэлементов: (N, P, K).

Недостаток N – тормозит окисление и образование труднооседающего ила.

Недостаток P – приводит к образованию нитчатых бактерий, что является причиной вспухания активного ила.

Биочистка в природных условиях.

Поля орошения – это специальные подготовленные земельные участки; очистка идёт под действием микрофлоры солнца, воздуха и под влиянием живой растительности, растений.

Поля орошения лучше всего устраивать на печаных или суглинистых почвах. Грунтовые воды не выше 1.25 м от поверхности.

В почве полей орошения находятся бактерии, дрожжи, грибы, водоросли и др. Сточные воды содержат бактерии. Если на полях не выращиваются сельскохозяйственные культуры, и они предназначены только для биологической очистки сточных вод, то они называются полями фильтрации.

Поля орошения после биологической очистки сточных вод используется для выращивания зерновых и силосных культур, трав, овощей. Поля орошения имеют следующие преимущества перед аэротенками: 1 – снижается капитальные и эксплуататорские затраты; 2 – вовлекаются в сельскохозяйственный оборот малопродуктивные земли. 3 – обеспечивается получение устойчивых и высоких урожаев.

Механизм:

Сточные воды в процессе биологической очистки проходят через фильтрующий слой почвы, в котором задерживаются взвешенные и коллоидные частицы, образуя плёнку, а проникающие O2 окисляет органические вещества, превращая их в минеральные соединения.

Сточные воды на поля орошения могут поступать через полиэтиленовые или асбоцементные трубчатые увлажнители, т.е. подпочвенное орошение.

Биологические пруды – каскад прудов, состоящий из 3-5 ступеней. С естественной аэрацией (глубина их 0,5-1м). Хорошо прогревается солнцем. С искусственной аэрацией (механическим или пневматическим путём, компрессором) (глубина – 3,5м). Нагрузка по загряз нениям повышается в 3-3,5 раза.

Очистка в искуственных сооружениях.

Аэротенки – железобетонные аэрирующие резервуары. Арированная смесь сточной воды + активный ил.

    Схема установки для биологического очистки.
  1. – первичный отстойник;
  2. – предаэратор (для предварительной аэрации 15-20 мин);
  3. – аэротенк;
  4. – регенератор (25%);
  5. – вторичный отстойник;
Аэрация необходима для насыщения H2O – O2 и поддержания ила во взвешенном состоянии. Переда аэротенком сточная вода должна содержать не > 150 мг/л взвешенных частиц и не > 25 мг/л нефтепродуктов: t°H2O=6-30°С; PH – 6,5-9. глубина аэротенков 2-5 м. Открытый бассейн, оборудованный устройствами для принудительной аэрации. 2-х, 3-х, 4-х коридорные.
    Аэротенки подразделяются:
  1. по гидродинамическому режиму (аэротенки – вытеснители(а); аэротенки – смесители(б); промежуточного типа – с рассредоточенным водородом сточных вод);
  2. по способу регенерации активного или (с отдельной регенерации и без отдельной);
  3. по нагрузке на активный ил (высоконагруженные для неполной очистки и обычные или низконагруженные);
  4. по количеству ступеней (1-х, 2-х, многократные);
  5. по режиму ввода сточных вод (проточные, полупроточные, контактные и др.);
  6. по конструктивным признакам:

При наличии вредных примесей и БПК > 150 мг/л – с регенерацией.

Полезная информация:

После прохождения сточных вод через устройства механической и физико-химической очистки перед сбросом в водоем они подвергаются биохимической очистке, заключающейся в окислении органических загрязнений микроорганизмами.

Для обеспечения нормальной жизнедеятельности микроорганизмов требуются не только органические вещества, но и биогенные элементы, такие как азот, кальций, фтор, хлор и др. Источниками биогенных элементов являются прежде всего бытовые сточные воды. Оптимальное количество бытовых сточных вод для разбавления нефтесодержаших производственных стоков зависит от состава производственных стоков и определяется в каждом конкретном случае экспериментально. Ненормированное использование бытовых стоков может привести к деградации, т.е. к ослаблению адаптированной к данным загрязнениям микрофлоры.

Критерием пригодности методов биохимического окисления для обезвреживания органических загрязнений в сточных водах является биохимический показатель, определяемый как отношение полной биохимической потребности в кислороде (БПК п) к химической потребности в кислороде (ХПК).

БПК – это количество кислорода, необходимое для окисления органических веществ в результате происходящих в воде аэробных биохимических процессов. Например БПК 20 соответствует длительности процесса 15...20 суток, БПК 5 – пятисуточному потреблению. БПК используется для текущего контроля эксплуатируемых очистных сооружений.

Показатель ХПК выражает количество кислорода, необходимое для окисления всех углердсодержащих соединений.

Биохимическое окисление проводят как в естественных условиях на полях фильтрации, орошения, биологических прудах, так и в искусственно созданных условиях.

Биологическая очистка сточных вод в искусственных сооружениях осуществляется в биологических фильтрах, аэротенках и окситенках.

На рис. 26 представлена схема биологического фильтра с принудительной подачей воздуха. Исходная сточная вода по трубопроводу 3поступает в фильтр 2и через водораспределительные устройства 4равномерно разбрызгивается по площади фильтра. При разбрызгивании сточная вода поглощает часть кислорода воздуха. В процессе фильтрования через загрузку 5, вкачестве которой используют, например, шлак, щебень, керамзит, пластмассу, гравий, на загрузочном материале образуется биологическая пленка, микроорганизмы которой поглощают органические вещества. Интенсивность окисления органических примесей в пленке существенно увеличивается при подаче сжатого воздуха через трубопровод 1 и опорную решетку 6 в направлении, противоположном фильтрованию. Очищенная от органических примесей вода выводится из фильтра через трубопровод 7.

Благодаря наличию гидравлических затворов, герметизирующих поддон-ное пространство, нагнетаемый воздух может выйти только через слой загруз-ки, вследствие чего происходит насыщение биопленки кислородом воздуха.

Рис. 26. Схема биологического фильтра

В процессе окисления загрязнений происходит образование новой пленки и отмирание старой, которая срывается с поверхности загрузки движущейся водой и выносится из биофильтра. Для ее задержания после биофильтров устраивают отстойники.

В основу аэротенков положена деятельность микроорганизмов, обитающих в природных водоемах, т.е. активного ила (АИ). Аэротенки подразделяются на аэротенки с регенерацией и без регенерации активного ила, аэротенки-смесители, аэротенки-вытеснители и аэротенки-отстойники.

Биохимическая очистка сточных вод (биологическая очистка) - основной способ очистки сточных вод, содержащих загрязнения органического происхождения, заключающийся в минерализзции этих загрязнений вследствие жизнедеятельности микроорганизмов.

Биологическая очистка сточных вод - один из самых распространенных способов обезвреживания сточных вод при подготовке их к спуску в водоемы, основанный на микробиальных (под воздействием микробов) процессах распада и минерализации органических веществ. По существующим нормам, содержание органических веществ в очищенной воде не должно превышать 10 мг/л.

В минерализации органических соединений сточных вод участвуют бактерии, которые по своему отношению к кислороду разбиваются на 2 группы:

Аэробные (использующие при дыхании растворенный в воде кислород);

Анаэробные (развивающиеся в отсутствии свободного кислорода).

Аэробный процесс

С 6 Н 12 О 6 +6О 2 --> 6СО 2 +6Н 2 О + микробная биомасса + тепло

Анаэробный процесс

С 6 Н 12 О 6 --> 3СН 4 + 3СО 2 + микробная биомасса + тепло

Аэробное микробное сообщество представлено разнообразными микроорганизмами, в основном бактериями, окисляющими различные органические вещества в большинстве случаев независимо друг от друга, хотя окисление некоторых веществ осуществляется путем соокисления (кометаболизм). Аэробное микробное сообщество активного ила систем аэробной очистки воды представлено исключительным биоразнообразием. Продуктами жизнедеятельности микробов являются углекислота, водород, органические кислоты и спирты.

Рис. 2.48. Сравнение материального и энергетического балансов методов аэробной и анаэробной очистки сточных вод.

Преимуществом аэробной очистки является высокая скорость и использование веществ в низких концентрациях. Существенными недостатками, особенно при обработке концентрированных сточных вод, являются высокие энергозатраты на аэрацию и проблемы, связанные с обработкой и утилизацией больших количеств избыточного ила. Аэробный процесс используется при очистке бытовых, некоторых промышленных и свиноводческих сточных вод с ХПК не выше 2000. Преимуществом анаэробного процесса является также относительно незначительное образование микробной биомассы. К недостаткам следует отнести невозможность удаления органических загрязнений в низких концентрациях. (рис. 2.48 ).

Деградация органических веществ микроорганизмами в аэробных и в анаэробных условиях осуществляется с разными энергетическими балансами суммарных реакций. При аэробном биоокислении глюкозы 59% энергии, содержащейся в ней, расходуется на прирост биомассы и 41% составляют тепловые потери. Этим обусловлен активный рост аэробных микроорганизмов. Чем выше концентрация органических веществ в обрабатываемых стоках, тем сильнее разогрев, выше скорость роста микробной биомассы и накопления избыточного активного ила. При анаэробной деградации глюкозы с образованием метана лишь 8% энергии расходуется на прирост биомассы, 3% составляют тепловые потери и 89% переходит в метан. Анаэробные микроорганизмы растут медленно и нуждаются в высокой концентрации субстрата.



Необходимыми условиями для жизнедеятельности организмов, способствующих очистке, и эффективного использования аэробных очистных сооружений являются:

Наличие в сточных водах органических веществ, способных окисляться биохимически;

Непрерывное снабжение сооружений кислородом в достаточном количестве;

Активная реакция очищаемой воды (в пределах 7-8,5 рН);

Температура воды не ниже 10°С и не выше 30°С;

Наличие биогенных элементов - азота, фосфора, калия в необходимых количествах;

Отсутствие токсических веществ в концентрациях, ядовито действующих на микроорганизмы.

Биохимическая очистка сточных вод протекает в две одновременно начинающиеся фазы:

Сорбция поверхностью тел бактерий растворенных органических веществ и коллоидов;

Окисление и минерализация растворенных и адсорбированных органических веществ микробами.

Для биохимической очистки бытовых промышленных сточных вод применяются следующие очистные сооружения:

Аэробные - аэрофильтры и аэротенки, биофильтры, биологические пруды, поля орошения, поля фильтрации;

Анаэробные - септики, двухъярусные отстойники, метантенки. Выбор типа сооружений определяется характером и количеством сточных вод, местными условиями, требованиями к качеству очищенной воды, наличием свободных земельных площадей и т. д.

Перед биохимической очисткой из сточных вод необходимо удалить взвешенные вещества, смолы и масла. В результате очистки содержание органических веществ в сточных водах снижается на 90-95%; они теряют способность к загниванию, становятся прозрачными, количество бактерий в них сильно снижается.

Аэробная очистка

Аэротенками называют сооружения для биологической очистки предварительно осветленной сточной жидкости. Процесс очистки протекает в движущемся потоке жидкости при искусственном введении в него так называемого активного ила, а также кислорода воздуха как источника жизнедеятельности бактерий.

Аэротенки представляют собой длинные железобетонные или бетонные резервуары прямоугольного сечения Активный ил - это скопление аэробных микроорганизмов в виде хлопьев - минерализаторов, обладающих также адсорбирующими свойствами и способностью минерализовать органические вещества, находящиеся в очищаемой сточной, жидкости.

Анаэробная очистка

В случае высокой концентрации в сточных водах органических веществ (БПК более 1000 мг/л), а также при очистке бытовых стоков (БПК от 30 до 50 мг/л) как один из наиболее перспективных может рассматриваться анаэробный метод очистки. Его преимущество перед аэробными заключается в резком снижении эксплуатационных расходов (для анаэробных МО не требуется дополнительной аэрации воды) и отсутствии проблем, связанных с утилизацией избыточной биомассы.

Биохимическое окисление - широко применяемый на практике метод очистки производственных сточных вод. Главным действующим началом при биохимической очистке являются микроорганизмы, использующие в качестве питательных веществ и источников энергии растворенные органические и неорганические соединения. Из них микроорганизмы берут все необходимое для размножения, увеличивая при этом активную биомассу.

Загрязняющие сточную воду вещества при их аэробной биохимической очистке окисляются активным илом, представляющим собой биоценоз, обильно заселенный микроорганизмами. Активный ил разрушает органические и неорганические соединения в специальных сооружениях - аэротенках - в условиях аэрации воздухом сточной воды и ила, находящегося благодаря аэрации во взвешенном состоянии. В процессе очистки микроорганизмы активного ила, контактируя с органическими и неорганическими веществами сточных вод, разрушают их при помощи различных ферментов.

Для создания протоплазмы клетке микроорганизмов нужны биогенные элементы: углерод, азот, кислород, водород, фосфор, калий, железо, магний и различные микроэлементы. Многие из этих элементов бактериальная клетка может почерпнуть из загрязнений сточных вод коксохимического производства. Недостающие элементы, чаще всего фосфор и реже калий, приходится добавлять в очищаемую сточную воду в виде ортофосфорной кислоты и соли (марганцовокислый калий).

Для нормального процесса синтеза клеточного вещества, а следовательно, и для эффективного процесса очистки сточной воды в среде должна быть достаточная концентрация всех основных биогенных элементов, которая для сточных вод коксохимического производства определяется соотношением:

БПК полн: N: Р = 100: 5: 1, (2)

где БПК - полная биологическая потребность в кислороде, мг О/л;

N - концентрация азота, мг/л;

Р - концентрация фосфора, мг/л.

Способ биохимической очистки обычно применяется для очистки промышленных сточных вод после обработки их физико-химическими методами, при помощи которых из вод удаляются не поддающиеся биологическому разрушению токсичные вещества и снижается концентрация загрязнений. Возможность биохимической очистки сточных вод определяется соотношением БПК полного к ХПК, которое должно быть меньше 0,4.

К числу преимуществ метода биохимической очистки относится способность разрушать различные классы органических соединений, однако, ряд органических соединений не подвергаются биохимическому окислению. Отдельные органические соединения распадаются, но продукты распада не окисляются до углекислого газа и воды Эти продукты распада могут быть иногда даже более токсичны, чем исходные вещества. Иногда биохимическое окисление невозможно из-за высокой концентрации загрязнений в сточной воде, оказывающей токсичное влияние на микроорганизмы.

Биохимический распад того или иного вещества зависит от ряда химических и физических факторов, как, например, наличия функциональных групп в молекуле, величины молекулы и ее структуры, растворимости вещества, образования промежуточных продуктов и их взаимодействия и других. Образование промежуточных продуктов обуславливается также биологическими факторами - сложностью обменных процессов в клетках микроорганизмов, вариабельностью штаммов бактерий, влиянием среды и длительностью адаптации микроорганизмов. Рассмотрим литературные данные о связи структуры некоторых веществ, содержащихся в сточных водах коксохимического производства, и их способности к биохимическому распаду. Экспериментально доказано, что бензол в незначительной степени окисляется микроорганизмами, производные его с короткой боковой целью, например, толуол, разлагаются несколько легче. Двухатомные фенолы успешно окисляются адаптированным комплексом бактерий, причем пирокатехин вдвое быстрее, чем резорцин. Наиболее трудно окисляется гидрохинон. При окислении многоатомных фенолов образуются окрашенные хиноидные соединения. Возможность биохимического окисления фенола известна уже давно. В Советском Союзе для очистки от фенола сточных вод коксохимического производства с 1952 года используется бактериальный комплекс - фенолразрушающие микроорганизмы, выделенные из почвы коксохимического завода Киевским институтом общей и коммунальной гигиены (Путилиной Н.Т. с сотрудниками). Применив этот комплекс для обогащения активного ила, нарастающего при очистке фенольной сточной воды в аэротенках, Киевский институт общей и коммунальной гигиены и Гипрококс назвали метод очистки "микробным". Это условное название употребляется и до настоящего времени, хотя по существу это биохимическая очистка активным илом, обогащенным фенол - и роданразрушающими микроорганизмами.

Работами многих исследователей установлена последовательность разрушения фенола микроорганизмами и выделены образующиеся при этом промежуточные продукты. Биохимическое окисление фенола идет стадийно через пирокатехин, цис-цис-муконовую кислоту, лактон, в - кетоадипиновую кислоту, янтарную кислоту, уксусную кислоту. Конечными продуктами биохимического окисления фенола являются углекислый газ и вода.

В сточных водах коксохимического производства содержатся роданиды. Исследования показали, что биохимическое окисление последних роданразрушающими микроорганизмами идет с образованием ионов аммония и сульфата. Эффективность биохимической очистки зависит от ряда факторов, основными из которых являются: температура, реакция среды (pH), кислородный режим, наличие биогенных элементов и токсичных веществ, уровень питания.

Оптимальной температурой, при которой хорошо развиваются фенол - и роданразрушающие микроорганизмы, является 30-35°С. Активная жизнедеятельность данных микроорганизмов сохраняется при 20-40°С. Если температурный режим не соответствует оптимальному, то рост культуры, а также скорость обменных процессов в клетке заметно ниже расчетных значений. Наиболее неблагоприятное влияние на развитие культуры оказывает резкое изменение температуры. При аэробной очистке отрицательное влияние повышенной температуры усугубляется еще вследствие соответствующего уменьшения растворимости кислорода.

Концентрация водородных ионов (pH) существенно влияет на развитие микроорганизмов. Фенол - и роданразрушающие микроорганизмы лучше всего развиваются в среде с pH 6,5-8,0. Отклонение pH за пределы 6 - 9 влечет за собой уменьшение скорости окисления вследствие замедления обменных процессов в клетке, нарушения проницаемости ее цитоплазматической мембраны и др., что приводит к ухудшению биохимической очистки. При pH ниже 5 и выше 10 происходит гибель микроорганизмов. Если значения температуры и pH выходят за пределы оптимальных и, особенно, допустимых величин, необходимо корректировать эти параметры в сточных водах, поступающих на биохимическую очистку. В фенольных сточных водах коксохимического производства содержится значительное количество аммиака и солей аммония; незначительное количество аммонийного азота потребляется в процессе жизнедеятельности фенол - и роданразрушающих микробов, но одновременно при окислении роданидов из азота роданид-ионов образуется дополнительное количество аммонийного азота. По существующим нормам сброса сточных вод в городскую канализацию для доочистки на городских очистных сооружениях содержание аммонийного азота в очищенных фенольных водах на 2 и более порядков выше допустимого.

Полная биохимическая очистка сточных вод от аммонийного азота включает две стадии: нитрификацию - окисление аммонийного азота под действием нитрифицирующих бактерий в присутствии кислорода воздуха вначале до нитритов, а затем до нитратов; денитрификацию - восстановление нитритов и нитратов под действием комплекса денитрифицирующих бактерий в присутствии необходимого количества органических соединений. Процесс нитрификации успешно протекает при pH 7-9; при окислении аммонийного азота до нитритов происходит образование кислоты (из двух молей азота по реакции образуется четыре моля водородного иона), которую необходимо нейтрализовать для нормального протекания процесса нитрификации. При денитрификации происходит образование гидроксильного иона (по реакции при восстановлении двух молей нитратов до атомарного азота выделяется два гидроксильных иона О Н-), то есть некоторая компенсация потерянной при нитрификации щелочности воды. Поэтому для уменьшения расхода щелочных агентов на стадии нитрификации необходимо организовать процесс очистки таким образом, чтобы максимально использовать щелочность, образующуюся на стадии денитрификации. При денитрификации можно исключить подачу кислорода воздуха или оставить ее в незначительном количестве, поскольку денитрифицирующие бактерии используют кислород, связанный в нитриты и нитраты. По данным ВУХИН при денитрификации содержание кислорода в воде не должно превышать 0,1 мг/л.

В качестве органического питания на стадии денитрификации предложен ряд легкоокисляемых органических соединений, а также избыточный активный ил или часть неочищенной фенольной воды. В процессе потребления микроорганизмами питательных веществ, содержащихся в сточных водах, в микробной клетке протекают два взаимосвязанных и одновременно происходящих процесса - синтез протоплазмы и окисление органических веществ. В процессе окисления клетки потребляют кислород, растворенный в сточной воде. В аэробных биологических системах подача воздуха (а также чистого кислорода или воздуха, обогащенного кислородом) должна обеспечивать постоянное наличие в воде растворенного кислорода не ниже 2 мг/л. Система аэрации обеспечивает также перемешивание воды и постоянное поддерживание ила во взвешенном состоянии. В технической литературе за меру уровня питания принимают величину сугочной нагрузки по загрязнениям в расчете на 1 м3 очистного сооружения, или на 1 г сухой биомассы, или на 1 г беззольной части биомассы. В практике оценки очистных сооружений коксохимических предприятий оперирует, в основном, величиной суточной нагрузки по отдельным загрязнениям и по ХПК на 1 м 3 аэротенка, которую принято называть окислительной мощностью сооружения. Обычно эту величину выражают в килограммах кислорода на 1 м 3 в сутки (кг О/м 3 в сутки).

Токсичным действием на биохимическое окисление могут обладать как органические, так и неорганические соединения, а также металлы. В результате токсичного действия веществ задерживается рост и развитие микроорганизмов или они погибают. В сточных водах коксохимического предприятия содержится большое количество веществ, которые тормозят развитие микроорганизмов, а некоторые могут привести к их гибели.

Отрицательное воздействие на процесс биохимической очистки сточных вод оказывает повышенная минерализация стока. Верхним пределом минерализации производственных сточных вод, поступающих в аэротенки, считается содержание солей в количестве 10 г/л. Резкие колебания в степени минерализации неблагоприятно отражаются на качестве очищенного стока. Осмотический шок, вызываемый минеральными солями, приводит к выделению органического вещества из клеток ила, что ведет к нарушению окислительных процессов. Низкие гидравлические нагрузки и высокие концентрации активного ила делают менее заметным влияние повышенных концентраций солей на эффективность работы аэротенков. Самыми важными факторами формирования биоценоза илов биохимических установок являются состав очищаемых сточных вод и величина нагрузки на ил. Действие других факторов - температуры, перемешивания, концентрации растворенного кислорода - практически не изменяет качественного состава илов, но влияет на количественное соотношение различных групп микроорганизмов. Основными факторами, влияющими на продолжительность процесса биохимической очистки, являются концентрация поступающих загрязнений, необходимая степень очистки, химическая природа загрязнения и концентрация активного ила.

Для проектирования биохимических установок коксохимических предприятий обычно принимается следующий состав сточных вод, поступающих в аэротенки (в мг/л): фенолы 400, роданиды 400, цианиды 20, общие масла 35, аммиак летучий до 250, аммиак общий 500, ХПК 3000. Состав очищенной воды по основным загрязнениям при проектировании современных биохимических установок (в мг/л): фенолы 0.5 - 2; роданиды 1-3; цианиды до 5, общие масла 10-20, ХПК 300-500. Общая загрязненность сточных вод до и после очистки достаточно полно характеризуется аналитически определяемой величиной ХПК (химической потребности в кислороде для окисления). Для биохимического окисления веществ обобщающим показателем обычно является величина БПК (биологической потребности в кислороде), которая определяется экспериментально при биохимическом окислении веществ в течение 5-ти суток - БПК 5 , 20-ти суток - БПК 20 или БПК полн.). В фенольных стоках коксохимического производства большая часть загрязнений биохимически трудно окисляется, поэтому для этих вод более показательна величина ХПК. Определенное представление о некоторых веществах в сточных водах коксохим производства дают литературные данные об удельных значениях ХПК отдельных веществ (в мг О/мг вещества), а также о соотношении БПК и ХПК - чем оно ниже, тем более легко происходит биохимическое окисление вещества.

Таблица 4. ХПК и соотношении БПК и ХПК в сточных водах коксохимического производства

Повышая дозу активного ила в аэротенках, следует иметь в виду, что при высокой концентрации биомассы (в практике можно поддерживать 5-6 г/л) не сохраняется прямая пропорция между концентрацией ила и скоростью окисления загрязнений. Скорость биохимического окисления уменьшается при повышении начальной дозы ила из-за ухудшения питания отдельных клеток. Сточные воды различных предприятий могут сильно различаться по содержанию отдельных загрязнений, следовательно, необходимо экспериментально определять оптимальную концентрацию активного ила для каждой биохимической установки.

При двухступенчатой очистке сточных вод на первой ступени (обесфеноливании) активный ил (точнее - биомасса) обычно мелкодисперсный, плохо отстаивающийся, поэтому для поддержания необходимой концентрации биомассы в аэротенке в них осуществляется возврат очищенной воды (до 50% и более) из сборника обесфеноленных вод.

На второй ступени очистки (обезроданивании) образуются хорошо оседающие хлопья активного ила (за счет обогащения биомассы простейшими микроорганизмами, которые являются индикатором достаточно глубокой очистки). Возврат сгущенного активного ила из вторичных отстойников технически должен быть организован таким образом, чтобы не разрушать хлопья активного ила (поэтому предпочтительно возврат производить с помощью эрлифтного, а не центробежного насоса). Целесообразно перед подачей возврата ила в аэротенок направлять его через специальную емкость с аэрацией сжатым воздухом (регенератор ила). Повышение концентрации активной биомассы в аэротенках можно осуществлять переоборудованием их в биотенки, то есть заполнением части объема аэротенка неподвижно закрепленным пористым материалом (на котором нарастает и закрепляется биопленка), либо использованием плавающим в объеме аэротенка твердым сорбентом (биосорбционная очистка).

Резкие колебания концентрации поступающих со сточной водой загрязнений приводят к нарушению биохимической очистки. Чтобы компенсировать эти колебания биохимические установки оборудуются усреднителями. Стабилизировать, а также повысить глубину очистки сточных вод позволяет переоборудование усреднителей в предаэротенки: в усреднители подается очищенная сточная вода с активным илом в количестве 10 - 20 % от поступающей фенольной воды, и несколько увеличивается количество подаваемого для перемешивания воды в усреднителе сжатого воздуха - до 30м 3 /м 3 поступающей сточной воды. Происходящее в предаэротенке небольшое разбавление исходной воды очищенной водой также благоприятно влияет на дальнейшую биохимическую очистку. Опыт эксплуатации показал, что в предаэротенке окисляется 25-30% поступающих фенолов, существенно уменьшается отрицательное влияние залповых сбросов на жизнедеятельность активного ила в аэротенках.

Эффективность биохимической очистки во многом определяется конструкцией аэрационных систем. На отечественных биохимических установках испытаны различные аэрационные системы: пневматическая, пневмомеханическая, механическая. Выбор аэрационной системы должен основываться на сравнении их эффективности, производительности по кислороду, степени использования кислорода воздуха, а также на оценке эксплуатационных достоинств и недостатков. Кроме того, для обеспечения достаточно полной биохимической очистки аэрационная система должна обеспечивать также хорошее перемешивание сравнительно больших количеств активного ила, а при значительном объеме аэрационных сооружений не вызывать переохлаждения сточной воды (это особенно значимо при окислении роданидов).

Пневматическая аэрация через перфорированные металлические или пластмассовые трубы (среднепузырчатая система аэрации) дает очень низкий коэффициент использования кислорода воздуха - около 2%; кроме того поддержание активного ила во взвешенном состоянии недостаточно удовлетворительное. Достаточно высокие окислительные способности (то есть количество кислорода, вносимого в единицу времени) и степень использования кислорода воздуха отмечены при применении пневмомеханической системы аэрации. Однако сложность эксплуатации этих систем (связанная, в частности, с тяжелыми условиями работы электродвигателей и редукторов в парах воды и химзагрязнений над аэротенком) была основной причиной того, что они не получили распространения. Кроме того, применение механического поверхностного аэратора вызывает существенное снижение температуры очищаемой воды, что недопустимо в зимнее время, особенно на заводах Украины. Современные биохимические установки на коксохимических заводах - довольно мощные сооружения. С учетом климатических условий, эксплуатационных затрат на обслуживание и ремонт, возможностей управления процессом биохимической очистки наиболее целесообразно сооружать центральную воздуходувную станцию, а в качестве аэрационной системы использовать эрлифтные аэраторы, которые одновременно обеспечивают хорошее перемешивание жидкости в аэротенке. Первые испытания эрлифтной системы аэрации, проведенные в 70-х годах Несмашным на Криворожском коксохимическом заводе, показали безусловные преимущества этой системы аэрации. В последующие годы благодаря систематическим исследованиям и разработкам, проведенным в ВУХИНе (В.Г. Плаксиным, В.М. Кагасовым, А.В. Говорковым, А.В. Путиловым, И.В. Пименовым и др.) была создана оптимальная система эрлифтной аэрации, которая обеспечивает эффективную аэрацию при высоких нагрузках по сточной воде и воздуху, интенсивное перемешивание жидкости и необходимые придонные скорости жидкости в емкостях большого объема. Степень использования кислорода воздуха б зависимости от нагрузки по воздуху на аэратор и уровня жидкости в емкости составляет 10-25%. Основные технические характеристики системы для варианта установки в аэротенке объемом 400 м3 и уровне жидкости 4 м: расход воздуха 2000 (и более) м 3 /ч, количество аэраторов 45-70, диаметр аэраторов 0,5 - 0,3 м, высота аэратора 1-2 м, приведенная скорость жидкости в аэраторе 1,5 - 2,5 м/с, придонные скорости жидкости более 0.3 м/с, кратность циркуляции не менее 50 l/ч, коэффициент использования кислорода 20-25%, количество вносимого кислорода 120-150 кг/ч, эффективность аэрации 2.35 - 2.95 кг кислорода/квт. ч, перепад давления на газораспределительном устройстве 1000-1500 Па, размеры пузырей не более 6 мм. На большинстве действующих биохимических установок наиболее распространена в настоящее время эрлифтная система аэрации с коэффициентом использования кислорода 12%. Практический опыт работы показал, что высота аэратора должна быть на 0,3м ниже уровня воды в аэротенке, чтобы предотвратить образование волны.

При эксплуатации аэротенков в них наблюдается образование большого количества пены. Причиной образования устойчивых пен является присутствие в сточных водах поверхностно-активных веществ и стабилизаторов пены: тонкодисперсных порошков кокса, пека; жидких полимеров; компонентов каменноугольной смолы, входящих в нерастворимые в толуоле вещества. Стабилизатором пены является также мелкодисперсный активный ил. По мере укрупнения активного ила его стабилизирующее воздействие на пену снижается. Гидравлический способ гашения пены малоэффективен для аэротенков с большой поверхностью, так как трудно обеспечить распределение воды равномерно по всей поверхности, к тому же большое количество воды, подаваемой для гашения пены, нарушает нормальный процесс очистки. Наиболее эффективно использовать аэротенки с перекрытием и подсводовым пространством высотой до 2 м: при этом пенс разрушается поступающей сточной водой и очищенной водой, возвращаемой из вторичного отстойника. Практика показала, что высота слоя пены не превышает 1,5 - 2м. Наличие перекрытия аэротенка позволяет осуществить организованный выброс отработанного воздуха и реализовать мероприятия по очистке его от вредных выбросов в атмосферу. Инженерное оформление схемы биохимической очистки принципиально изменилось за два последних десятилетия: подача воды в аэротенки производится насосами, а не самотеком, это облегчает регулировку гидравлических нагрузок, контроль расходов, позволяет в процессе эксплуатации изменять направление потоков с наименьшими затратами; появились и хорошо зарекомендовали себя металлические аэротенки в надземном исполнении (это, в частности, исключает загрязнение окружающей территории за счет неплотностей сооружений, характерных при сооружении аэротенков из сборного железобетона).

При проектировании биохимических установок приняты следующие основные расчетные зависимости (их необходимо также использовать в процессе эксплуатации при анализе работы установки): Объем аэротенков 1-й и 2-й ступеней (V) определяется на основе окислительной мощности по фенолам и роданидом соответственно (в м 3)

С 1 и С 2 - концентрации окисляемого вещества соответственно до и после очистки, мг/л;

ОМ - окислительная мощность аэротенка (в кг окисляемого вещества на 1 м 3 аэротенка в сутки).

Окислительная мощность зависит от исходной концентрации вещества, состава сточных вод, эффективности аэрации и других факторов; определяется экспериментально. Для сточных фенольных вод коксохимических предприятий окислительная мощность по фенолам находится в пределах 0,6-1,2; для роданидов 0,6 - 0,4 (то есть в 2 - 3 раза ниже, чем для фенолов).

Расход воздуха в аэротенки (Q в) рассчитывается по формуле (в нм 3 /ч):

где: L - количество сточной воды, м 3 /ч;

ХПК 1 и ХПК 2 - окисляемость сточной воды соответственно до и после очистки (мг О / л воды);

К 1 - коэффициент запаса (обычно принимают 1,2 - 1,25);

0,21 - объемная доля кислорода в воздухе;

0,8 - коэффициент использования растворенного кислорода для окисления загрязнений;

1,429 - плотность кислорода при нормальных условиях (кг/нм 3);

q - коэффициент использования кислорода воздуха для данной системы аэрации (%).

  • Методы очистки сточных вод и экологически чистые технологии водооотведения (Документ)
  • Соколов М.П. Очистка сточных вод. Учебное пособие (Документ)
  • Методы очистки сточных вод (Документ)
  • Круппо М.В. Определение необходимой степени очистки сточных вод (Документ)
  • Биологические методы очистки сточных вод (Документ)
  • Шпаргалки - Ответы к экзамену по технике защиты окружающей среды. Очистка сточных вод. Утилизация осадков сточных вод (Шпаргалка)
  • Шифрин С.М., Иванов Г.В., Мишуков Б.Г., Феофанов Ю.А. Очистка сточных вод предприятий мясной и молочной промышленности (Документ)

    • n1.doc


    1. Биохимические методы очистки сточных вод. Сущность метода.

    2. Закономерности распада органических веществ
    5

    3. Влияние различных факторов на процесс биохимической очистки

    4. Классификация биохимических методов
    8

    4.1. Аэробные методы очистки
    9

    4.2. Анаэробные методы очистки
    15

    Список литературы
    17

    1. Биохимические методы очистки сточных вод. Сущность метода.

    Биологическое окисление – широко применяемый на практике метод очистки сточных вод, позволяющий удалить из них многие органические и некоторые неорганические (сероводород, сульфиды, аммиак, нитриты и др.) вещества. Биохимическая очистка сточных вод основана на способности микроорганизмов использовать растворенные и коллоидные органические загрязнения в качестве источника питания в процессах своей жизнедеятельности. Биологическим путем обрабатываются, подвергаясь частичной или полной деструкции, многие виды органических загрязнений городских и производственных сточных вод. Контактируя с органическими веществами, микроорганизмы частично разрушают их, превращая в воду, диоксид углерода, нитрит- и сульфат-ионы и др. Другая часть вещества идет на образование биомассы. Некоторые органические вещества способны легко окисляться, а некоторые не окисляются совсем или очень медленно.

    Широкое использование биохимического метода обусловлено его достоинствами: возможностью удалять из сточных вод разнообразные органические и некоторые неорганические соединения, находящиеся в воде в растворенном, коллоидном и нерастворенном состоянии, в том числе токсичные; простотой аппаратурного оформления, относительно невысокими эксплуатационными затратами, глубиной очистки. К недостаткам следует отнести высокие капитальные затраты, необходимость строгого соблюдения режима очистки, токсичное действие на микроорганизмы ряда органических и неорганических соединений, необходимость разбавления сточных вод в случае высокой концентрации примесей.

    Для определения возможности подачи промышленных сточных вод на биохимические очистные сооружения устанавливают максимальные концентрации токсичных веществ, которые не влияют на процессы биохимического окисления (МК б) и на работу очистных сооружений (МК бос). При отсутствии таких данных возможность биохимического окисления устанавливается по биохимическому показателю БПК п /ХПК. Для бытовых сточных вод это отношение составляет при­мерно 0,86, а для производственных изменяется в очень широких пре­делах: от 0 до 0,9. Сточные воды с низким отношением БПК п /ХПК, как правило, содержат токсичные примеси, предварительное извлечение которых может повысить это отношение, т.е. обеспечить возможность биохимического окисления. Поэтому сточные воды не должны содержать ядовитых веществ и примесей солей тяжелых металлов. Биохимическую очистку считают полной, если БПК п очищенной воды составляет менее 20 мг/л и неполной, если БПК п > 20 мг/л. Такое определение условно, так как даже при полной биохимической очистке происходит лишь частичное освобождение воды от суммы находящихся в ней примесей.

    Биологическое окисление осуществляется сообществом микроорганизмов (биоценозом), включающим множество различных бактерий, простейших, а также водорослей, грибов и т.д., связанных между собой в единый комплекс сложными взаимоотношениями (метабиоза, симбиоза и антагонизма). Главенствующая роль в этом сообществе принадлежит бактериям, число которых варьируется от 10 6 до 10 14 клеток на 1 г сухой биомассы. В процессе биохимического окисления при аэробных условиях сообщество микроорганизмов носит название активного ила или биопленки. Активный ил состоит из живых микроорганизмов и твердого субстрата и по внешнему виду напоминает хлопья коагулянта с цветом от белесо-коричневого до темно-коричневого. Скопления бактерий в активном иле окружены слизистым слоем (капсулами) и называются зооглеями. Они способствуют улучшению структуры ила, его осаждению и уплотнению.

    Активный ил представляет собой амфотерный коллоид, имеющий в интервале значений рН=4-9 отрицательный заряд, и обладающий большой адсорбционной способностью за счет развитой суммарной поверхности бактериальных клеток. Адсорбционная способность активного ила с течением времени понижается из-за насыщения загрязнениями сточной воды. Процесс восстановления идет за счет жизнедеятельности микроорганизмов, заселяющих активный ил, и называется регенерацией. Несмотря на существенные различия очищаемых сточных вод, элементарный химический состав активных илов достаточно близок, хотя и неидентичен. Это сходство есть результат общности его основы - бактериальных клеток. В состав клеток входят Н, N, S, С, О, Р, зола, белок, а также различные микроэлементы - В, V, Fe, Co, Мn, Мо, Сu и др. Н, N, С и О образуют группу органогенных веществ, эти элементы входят в бактериальные клетки в виде воды, белков, жиров и углево­дов; 80-85 % веса микробов составляет вода.

    Сухое вещество активного ила представляет собой комплекс минеральных (10-30 %) и органических (70-90 %) веществ. Основную массу органических соединений составляют белки. В состав зольных частей клеток входят микроэлементы - Са, К, Mg, S, Мn, Сu, Na, Fe, Zn и др. Кроме того для построения бактериальной клетки необходимы биогенные элементы - фосфор, азот, калий. Качество ила определяется скоростью его осаждения и степенью очистки воды. Состояние ила характеризует иловый индекс, представляющий собой отношение объема осаждаемой части активного ила к массе высушенного осадка (в граммах) после отстаивания в течение 30 минут. Чем больше иловый индекс, тем хуже оседает ил.

    2.Закономерности распада органических веществ

    Механизм изъятия веществ из сточных вод и их потребление микроорганизмами весьма сложен. В целом этот процесс может быть условно разделен на три стадии:

    1) массопередача вещества из жидкости к поверхности клетки, за счет молекулярной и конвективной диффузии;

    2) диффузия вещества через полупроницаемую мембрану поверхности клетки, возникающая вследствие разности концентраций вещества в клетке и вне ее;

    3) процесс превращения вещества (метаболизм), протекающий внутри клетки, с выделением энергии и синтезом нового клеточного вещества.

    Скорость протекания первой стадии определяется законами диффузии и гидродинамическими условиями в сооружении биохимической очистки. Турбулентность потока вызывает распад хлопьев активного ила на мельчайшие колонии микробов и приводит к быстрому обнов­лению поверхности раздела между микроорганизмами и средой.

    Процесс переноса вещества через полупроницаемые мембраны клеток может быть осуществлен двумя путями: растворением диффундирующего вещества в материале мембраны, благодаря чему оно проходит внутрь клетки или присоединением проникающего вещества к специфическому белку-переносчику, растворением образующегося комплекса и диффузией его внутрь клетки, где комплекс распадается и белок-переносчик высвобождается для совершения нового цикла.

    Основную роль в очистке сточных вод играют процессы превращения вещества внутри клеток микроорганизмов, в результате чего происходит окисление вещества с выделением энергии (катаболические превращения) и синтез новых белковых веществ, который проте­кает с затратой энергии (анаболические превращения).

    Скорость химических превращений и их последовательность определяют ферменты, выполняющие роль катализаторов и представляющие собой сложные белковые соединения с молекулярной массой до сотен тысяч и миллионов. Их активность зависит от температуры, рН и присутствия в сточной воде различных веществ.

    Суммарные реакции биохимического окисления в аэробных условиях можно представить в следующем виде:

    Окисление органического вещества

    C x H y O z (х + 0,25у - 0,5z)O 2 ? хС0 2 + 0,5уН 2 О + ?Н;

    Синтез бактериальных клеток

    C x H y O z + nNH 3 + n(x + 0,25у - 0,5z - 5)0 2 ? n(C 5 H 7 N0 2) + n(x-5)C0 2 + 0,5n(y-4)H 2 O - ?Н;

    Окисление клеточного материала

    N(C 5 H 7 N0 2) + 5n0 2 ? 5nC0 2 + 2nH 2 0 + nNH 3 + ?Н.

    Химические превращения являются источником необходимой для микроорганизмов энергии. Живые организмы способны использовать только связанную химическую энергию. Универсальным переносчиком энергии в клетке является аденозинтрифосфорная кислота (АТФ).

    Микроорганизмы способны окислять многие органические вещества, но для этого требуется различное время адаптации. Легко окисляются многие спирты, гликоли, бензойная кислота, ацетон, глицерин, сложные эфиры и др. Плохо окисляются нитросоединения, некоторые ПАВ и хлорпроизводные органические соединения.

    В процессе аэробного окисления потребляется кислород, растворенный в сточной воде. Для насыщения сточной воды кислородом проводят процесс аэрации, разбивая воздушный поток на пузырьки, которые, по возможности, равномерно распределяются в сточной воде. Из пузырьков воздуха кислород абсорбируется водой, а затем переносится к микроорганизмам. Этот процесс происходит в два этапа. На первом идет перенос кислорода из воздушных пузырьков в основную массу жидкости, на втором - перенос абсорбированного кислорода из основ ной массы жидкости к клеткам микроорганизмов, в основном под действием турбулентных пульсаций.

    Наиболее надежный способ увеличения подачи кислорода в сточную воду - повышение интенсивности дробления газового потока, т.е. уменьшение размеров газовых пузырьков. Скорость потребления кислорода зависит от многих взаимосвязанных факторов: величины биомассы, скорости роста и физиологической активности микроорганизмов, вида и концентрации питательных веществ, накопления токсичных продуктов обмена, количества и природы биогенных элементов, со держания кислорода в воде.
    3. Влияние различных факторов на процесс биохимической очистки

    Эффективность биологической очистки зависит от целого ряда факторов, одни из которых поддаются изменению и регулированию в широких диапазонах, регулирование же других, таких, как например, состав поступающих на очистку сточных вод, практически исключено. К основным факторам, определяющим пропускную способность системы и степень очистки сточной воды, относятся: наличие кислорода в воде, равномерность поступления сточной воды и концентрация в ней примесей, температура, рН среды, перемешивание, присутствие токсичных примесей и биогенных элементов, концентрация биомассы и др.

    Наиболее благоприятные условия очистки заключаются в следующем. Концентрация в очищаемых сточных водах биохимически окисляемых веществ не должна превышать допустимую величину МК б или МК бос, которая устанавливается обычно опытным путем. Сточные воды с более высокой концентрацией необходимо подвергать разбавлению. ПДК веществ при поступлении на сооружения биологической очистки приведены в справочной литературе.

    Снабжение сооружений биохимической очистки кислородом воздуха должно быть непрерывным и в таком количестве, чтобы в очищенной сточной воде, выходящей из вторичного отстойника, его было не менее 2 мг/л. Скорость растворения кислорода в воде не должна быть ниже скорости его потребления микроорганизмами. В начальный период окисления скорость потребления кислорода может в десятки раз превышать ее в конце процесса, она зависит от характера загрязнения воды и пропорциональна количеству биомассы.

    Оптимальной температурой для аэробных процессов, происходящих в очистных сооружениях, считается 20-30 °С, хотя температурный оптимум бактерий различных групп варьируется в широких пределах, от -8 °С до +85 °С. Повышение температуры за пределы физиологической нормы микроорганизмов приводит к их гибели, а понижение лишь снижает активность микроорганизмов. С повышением температуры уменьшается растворимость кислорода в воде, поэтому в теплое время года надо проводить более интенсивную аэрацию, а в зимнее - поддерживать более высокую концентрацию микроорганизмов в циркулирующем иле и увеличивать продолжительность аэрации.

    Оптимальной реакцией среды для значительной части бактерий является нейтральная или близкая к ней, хотя есть виды, хорошо развивающиеся в кислой (грибы, дрожжи) или слабощелочной среде (актиномицеты).

    Для нормального процесса синтеза клеточного вещества, а следовательно, и для эффективного процесса очистки сточных вод должна быть достаточная концентрация всех элементов питания - органического углерода (БПК), азота, фосфора.

    Кроме основных элементов клетки (С, О, N, Н) для ее построения необходимы в незначительных количествах и другие компоненты - микроэлементы (Mn, Cu, Zn, Mo, Mg, Co и др.). Содержание указанных элементов в природных водах, из которых образуются сточные воды, обычно достаточно для биохимического окисления. Недостаток азота тормозит окисление органических загрязнений и приводит к образованию трудно оседающего ила. Недостаток фосфора инициирует развитие нитчатых бактерий, что является основной причиной вспухания активного ила, плохого оседания и выноса его из очистных сооружений, замедления роста ила и снижения интенсивности окисления. Биогенные элементы лучше всего усваиваются в форме соединений, в которой они находятся в микробных клетках: азот - в форме NH 4 , а фосфор - в виде солей в фосфорных кислотах. При нехватке азота, фосфора, калия в сточную воду вносят различные азотные, калийные и фосфорные удобрения. Эти элементы содержатся в бытовых сточных водах, поэтому многие химические вещества могут оказывать на микроорганизмы токсичное воздействие, нарушающее их жизнедеятельность. Такие вещества, попадая в бактериальную клетку, взаимодействуют с ее компонентами и нарушают их функции, среди них: S в, Ag, Cu, Co, Hg, Рв и др. Количество взвешенных частиц не должно быть более 100 мг/л для биологических фильтров и 150 мг/л для аэротенков.

    Интенсивность и эффективность очистки сточных вод зависят не только от условий обитания микроорганизмов, но и от их количества, т.е. дозы активного ила, которая поддерживается в аэротенках обычно равной 2-4 г/л. Повышение концентрации микроорганизмов в сточной воде позволяет ускорить процесс биологической очистки, но при этом одновременно необходимо увеличивать количество растворенного в воде кислорода, что ограничено состоянием насыщения, и улучшать условия массообмена. При биологической очистке необходимо применять "молодой" активный ил с возрастом 2-3 суток. Он не вспухает, более вынослив к колебаниям температуры, рН среды, мелкие хлопья его лучше осаждаются. Важным условием улучшения биологической очистки и уменьшения объема очистных сооружений является регенерация активного ила, заключающаяся в его аэрации при отсутствии питательного субстрата.

    Для создания наиболее благоприятных условий массопередачи питательных веществ и кислорода к поверхности микробных клеток необходимо перемешивание сточной воды и активного ила. При этом турбулизация жидкости приводит к разрушению хлопьев активного ила, обновлению их поверхности, лучшему снабжению клеток питательными веществами и кислородом, создает более благоприятные условия обитания микроорганизмов.
    4. Классификация биохимических методов

    Известны аэробные и анаэробные методы биохимической очистки. Аэробные методы основаны на использовании аэробных групп микроорганизмов, для жизнедеятельности которых необходим постоянный приток кислорода и температура 20-40 °С. При изменении температурного и кислородного режимов состав и число микроорганизмов меняется, они культивируются в активном иле или биопленке. Анаэробные методы протекают без доступа кислорода, их используют главным образом для обработки осадков. Всю совокупность сооружений биологической очистки можно разделить на три группы по признаку расположения в них активной биомассы:

    1) активная биомасса закреплена на неподвижном материале, а сточная вода тонким слоем скользит по материалу загрузки - биофильтры;

    2) активная биомасса находится в воде в свободном (взвешенном) состоянии - аэротенки, циркуляционные окислительные каналы, окситенки;

    3) сочетание обоих вариантов расположения биомассы - погружные биофильтры, биотенки, аэротенки с заполнителями.

    Биологическая очистка может также осуществляться в естественных условиях на сооружениях почвенной очистки и в биологических прудах.
    4.1. Аэробные методы очистки.

    Очистку на полях орошения, полях фильтрации и биологических прудах - отличают сравнительно низкие строительные и эксплуатационные затраты, буферная способность при залповых сбросах сточных вод, колебаниях рН, температуры, достаточную степень изъятия из воды биогенных элементов. К недостаткам относится сезонность работы, низкая скорость окисления загрязнений. Поля орошения и поля фильтрации относятся к почвенным методам очистки.

    Поля орошения являются сельскохозяйственными угодьями, специально предназначенными для очистки сточных вод и одновременного выращивания растений. На полях фильтрацииочистка производится без участия растений. Очистка сточных вод на полях орошения основана на воздействии почвенной микрофлоры, кислорода воздуха, солнца и жизнедеятельности растений. В очистке сточных вод в той или иной степени участвует активный слой грунта толщиной 1,5-2 м. Минерализация органического вещества происходит в основном в верхнем полуметровом слое почвы. При этом повышается плодородие почвы, что связано с обогащением почвы нитратами, фосфором и калием. Однако общий солевой состав стоков не должен превышать 4-6 г/л для предотвращения засоления почвы. Сточные воды подаются на поля орошения периодически с интервалом 5 дней. В зимний период для местностей с холодной зимой на них производится намораживание сточных вод. Для сбора сточной воды, используемой на полях орошения, служат пруды-накопители вместимостью, равной шестимесячному накоплению в них воды.

    Биологические пруды - искусственно созданные или естественные водоемы, в которых очистка сточных вод идет под воздействием природных процессов самоочищения. Они могут применяться как для самостоятельной очистки, так и для глубокой доочистки сточных вод, прошедших биологическую очистку. Представляют собой неглубокие водоемы (0,5-1 м), хорошо прогреваемые солнцем и заселенные водными организмами.

    В процессах, протекающих в биопрудах, наблюдается полный природный цикл разрушения органических загрязнений. Воздействие на работу прудов различных факторов может создавать в них как аэробные, так и аэробно-анаэробные условия. Пруды, постоянно работающие в аэробных условиях, называются аэрируемыми, а пруды с переменными условиями - факультативными.

    Аэробные условия в прудах могут поддерживаться либо за счет естественного поступления кислорода из атмосферы и фотосинтеза, либо за счет принудительной подачи воздуха в воду. Поэтому различают пруды с естественной и искусственной аэрацией. Время пребывания воды в прудах с естественной аэрацией составляет от 7 до 60 суток. Вместе со сточными водами из вторичных отстойников выносится активный ил, который является посевным материалом. Эффективность очистки в прудах определяется временем года, в холодный период она резко снижается.

    Пруды с искусственной аэрацией имеют значительно меньший объем и требуемая степень очистки в них обычно достигается за 1-3 суток.

    Биофильтры - искусственные сооружения биологической очистки - представляют собой круглые или прямоугольные в плане сооруже­ния из кирпича или железобетона, загруженные фильтрующим материалом, на поверхности которого развивается биопленка. Сточная вода фильтруется через слой загрузки, покрытой пленкой из микроорганизмов, за счет жизнедеятельности которых осуществляется очистка. Отработанная (омертвевшая) биопленка смывается протекающей сточной водой и выносится из биофильтра.

    По типу загрузочного материала биофильтры делятся на две категории: с объемной (зернистой) и плоской загрузкой. В качестве зернистой загрузки используют щебень, гравий, гальку, шлак, керамзит, керамические и пластмассовые кольца, кубы, шары, цилиндры и т.п. Плоская загрузка - это металлические, тканевые и пластмассовые сетки, решетки, блоки, гофрированные листы, пленки и т.п., нередко свернутые в рулоны.

    Биофильтры с объемной загрузкой подразделяются на капельные, высоконагружаемые, башенные. Капельные биофильтры наиболее просты по конструкции, загружаются материалом мелких фракций высотой 1-2 м и имеют производительность до 1000 м 3 /сут, на них достигается высокая степень очистки. В высоконагружаемых фильтрах применяется больший размер кусков загрузки, а ее высота составляет 2-4 м. Высота загрузки в башенных фильтрах достигает 8-16 м. Два последних вида фильтров применяются при расходах сточных вод до 50 тыс.м 3 /сут как для полной, так и неполной биологической очистки.

    Биологические фильтры с плоской загрузкой обладают значительно более высокой окислительной способностью, чем фильтры с объемной загрузкой. Окислительная способность - это скорость растворения кислорода в процессе аэрации полностью обескислороженной воды при атмосферном давлении и температуре 20 °С (г О 2 /ч)); к ней близко понятие окислительной мощности - скорости реакций окисления загрязнений (г О 2 /(м 3 ч)).

    Промежуточное положение между аэротенками и биофильтрами занимают погружные биофильтры и биотенки-биофильтры.

    Погружные (дисковые) биофильтры представляют собой резервуар, в котором имеется вращающийся вал с насаженными на него дисками, попеременно контактирующими со сточной водой и воздухом. Размер дисков 0,5-3 м, расстояние между ними 10-20 мм, они могут быть металлическими, пластмассовыми и асбестоцементными, число дисков на валу от 20 до 200. Биотенк-биофильтрпредставляет собой корпус, в котором заключены лотковые элементы загрузки, расположенные в шахматном порядке. Эти элементы орошаются сверху водой, которая наполняя их стекает через края вниз. На наружных поверхностях элементов образуется биопленка, внутри - биомасса, напоминающая активный ил. Конструкция обеспечивает высокую производительность и эффективность очистки.

    По принципу поступления воздуха в толщу аэрируемой загрузки биофильтры могут быть с естественной и принудительной аэрацией.

    В пусковой период биологических фильтров на кусках загрузки выращивается биологическая пленка. Основным агентом этой пленки является микробное население. Микроорганизмы биопленки используют органические примеси сточных вод как источники питания и дыхания, при этом масса биопленки увеличивается. По мере увеличения толщины пленки происходит ее отмирание и смыв протекающей сточной водой. Очищенная в биофильтре вода вместе с частицами отмершей биопленки поступает во вторичный отстойник. Рециркуляцию биологически активного материала обычно не предусматривают, что обусловлено высокой удерживающей способностью сооружения массы биопленки.

    При поступлении сточных вод с БПКп > 300 мг/л во избежание частого заиливания поверхности биофильтра предусматривается рециркуляция - возврат части очищенной воды для разбавления исходной сточной воды. Рециркуляция очищенной воды увеличивает содержание растворенного кислорода в смеси, поддерживается более равномерная гидравлическая нагрузка, выравнивается концентрация биопленки по высоте сооружения. Однако при этом возрастает потребность в объемах отстойников, увеличивается расход энергии на перекачивание воды.

    Распределение сточных вод по поверхности биофильтра произво­дится стационарными разбрызгивающими оросителями (спринклерами) или вращающимися реактивными оросителями с циклической подачей воды в течение 5-10 минут.

    Применение биофильтров ограничивается возможностью их заи­ливания, снижением окислительной мощности в процессе эксплуатации, появлением неприятных запахов, трудностью равномерного нара­щивания пленки.

    Очистка в аэротенках. Аэробная биологическая очистка больших объемов сточных вод осуществляется в аэротенках - железобетонных аэрируемых сооружениях со свободно плавающим в объеме обрабатываемой воды активными илом, бионаселение которого использует загрязнения сточных вод для своей жизнедеятельности.

    Аэротенки можно классифицировать по следующим признакам:

    1) по структуре потока - аэротенки-вытеснители, аэротенки-смесители и аэротенки с рассредоточенным впуском сточной жидкости (промежуточного типа);

    2) по способу регенерации активного ила - аэротенки с отдельно стоящими или совмещенными регенераторами ила;

    3) по нагрузке на активный ил - высоконагружаемые (для неполной очистки), обычные и низконагружаемые (с продленной аэрацией);

    4) по числу ступеней - одно-, двух- и многоступенчатые;

    5) по режиму ввода сточных вод - проточные, полупроточные, с переменным рабочим уровнем, контактные;

    6) по типу аэрации - с пневматической, механической, комбинированной гидродинамической или пневмомеханической;

    7) по конструктивным признакам - прямоугольные, круглые, комбинированные, шахтные, фильтротенки, флототенки и др.

    Аэротенки используются в чрезвычайно широком диапазоне расходов сточных вод от нескольких сот до миллионов кубометров в сутки.

    В аэротенках-смесителяхнагрузка на ил и скорость окисления загрязнений практически неизменны по длине сооружения. Они наиболее пригодны для очистки концентрированных (БПКп до 1000 мг/л) производственных сточных вод при значительных колебаниях их расхода и концентрации загрязнений. В аэротенках-вытеснителяхна­грузка загрязнений на ил и скорость их окисления изменяются от наибольших значений в начале сооружения до наименьших в его конце. Такие сооружения применяются в том случае, если обеспечивается достаточно легкая адаптация активного ила. В аэротенках с рассредоточенной подачей водыпо его длине единичные нагрузки на ил уменьшаются и становятся равномерными. Такие сооружения используются для очистки смесей промышленных и городских сточных вод. Работа аэротенка неразрывно связана с нормальной работой вторичного отстойника, из которого возвратный активный ил непрерывно перекачивается в аэротенк. Вместо вторичного отстойника для отделения ила от воды может быть использован флотатор.

    В одноступенчатой схеме без регенератора нельзя интенсифици­ровать процесс очистки стоков. При наличии регенератора в нем заканчиваются процессы окисления и ил приобретает первоначальные свойства. Одноступенчатые схемы без регенерации ила применяют при БПКп 150 мг/л. Двухступенчатая схема используется при высокой исходной концентрации органических загрязнений в воде, а также при наличии в воде веществ, скорость окисления которых резко различается. На первой ступени очистки БПКп сточных вод снижается на 50-70 %.

    Для обеспечения нормального хода процесса биологического окисления в аэротенк необходимо непрерывно подавать воздух. Система аэрациипредставляет собой комплекс сооружений и специального оборудования, обеспечивающего снабжение жидкости кислородом, поддержание ила во взвешенном состоянии и постоянное перемешивание сточной воды с илом. Для большинства типов аэротенков система аэрации обеспечивает одновременное выполнение этих функций. По способу диспергирования воздуха в воде на практике применяются следующие системы аэрации: пневматическая, механиче­ская, пневмомеханическая и струйная. В нашей стране большее распространение получила пневматическая система аэрации.

    Современный аэротенк - это гибкое в технологическом отношении сооружение, представляющее собой железобетонный резервуар коридорного типа, оборудованный аэрационной системой. Рабочую глубину аэротенков принимают от 3 до 6 м, отношение ширины коридора к рабочей глубине от 1:1 до 2:1. Для аэротенков и регенераторов количество секций должно быть не менее двух; при производительно­сти до 50 тыс.м 3 /сут назначается 4-6 секций, при большей производи­тельности 8-10 секций, все они рабочие. Каждая секция состоит из 2-4 коридоров.

    Аэротенки-вытеснители- длинные коридорные сооружения, в которых вода и активный ил подаются в начало сооружения, а иловая смесь отводится в конце его. При этом практически не происходит перемешивание поступающей воды с ранее поступившей. Такие аэротенки состоят из нескольких коридоров и могут быть со встроенным регенератором и без него. Длина таких аэротенков достигает 50-150 м и объем от 1,5 до 30 тыс.м 3 . В большой степени режиму вытеснения соответствуют конструкции аэротенков ячеистого типа.Они представляют собой прямоугольные в плане сооружения, разделенные на ряд отсеков поперечными перегородками. Смесь из первого отсека поступает во второй (снизу), из второго в третий переливается через перегородку (сверху) и т.д. В каждой ячейке устанавливается режим полного смешения, а сумма ряда последовательно расположенных смесителей составляет практически идеальный вытеснитель. При этом предотвращается возвратное движение воды, отсутствует продольное перемешивание.

    Сточная вода и ил в аэротенках-смесителяхподводится и отводится равномерно вдоль длинных сторон сооружения. Считается, что поступающая смесь очень быстро (в расчетах мгновенно) смешивается с содержимым всего аэротенка. Это позволяет равномерно распределять органические загрязнения и растворенный кислород и обеспечи­вать работу сооружения при постоянных условиях и высоких нагрузках. Ширина коридора аэротенка-смесителя составляет 3-9 м, число коридоров 2-4, длина до 150 м.

    По сравнению с аэротенками-вытеснителями в аэротенках-смесителях высокая остаточная концентрация примесей в очищенной воде. Поэтому их целесообразно применять для очистки концентрированных сточных вод на первой ступени, а аэротенки-вытеснители – на второй ступени.

    Аэротенки - смесители могут быть сблокированы со вторичными отстойниками и выполнены отдельно от них. Аэротенки-отстйники(аэроакселаторы) компактны, позволяют увеличить рециркуляцию иловой смеси без применения специальных насосных станций, улучшить кислородный режим отстойника и повысить дозу ила до 3-5 г/л, соответственно увеличив окислительную мощность.

    Аэротенки промежуточного типасовмещают элементы аэротенков-вытеснителей и аэротенков-смесителей. К ним относятся аэротенки с рассредоточенной подачей воды и сосредоточенной подачей активного ила, а также каскад аэротенков-смесителей. В них создаются условия для более высокой средней концентрации активного ила, чем в аэротенках-вытеснителях, и обеспечивается более высокое качество очистки, чем в аэротенках-смесителях. Выполняются они в виде двух- или четырехкоридорных сооружений. Капитальные затраты на строительство таких аэротенков снижаются не менее чем на 15 % по сравне­нию с рассмотренными выше, при этом сохраняется высокое качество очистки.

    Окситенкипредназначены для биохимической очистки сточных вод, где вместо воздуха применяется технический кислород. Благодаря этому создаются условия для повышения дозы активного ила (до 6-10 г/л), снижаются энергозатраты на аэрацию, увеличивается окисли­тельная мощность (в 5-10 раз выше, чем у аэротенков), эффективность использования кислорода составляет 90-95 %.

    Типовые схемы биохимической очистки включают, как правило, целый ряд установок по усреднению стоков, их механической очистки, собственно сооружения биологической очистки, устройства для приготовления и дозирования реагентов, доочистки сточных вод и обработки осадков. Схемы могут быть одноступенчатыми и многоступенчатыми. По приведенной схеме осуществляется совместная очистка промышленных и бытовых сточных вод. При такой очистке процесс протекает более устойчиво и полно, т.к. бытовые стоки содержат биогенные элементы, а также разбавляют производственные сточные воды. Сточные воды, предварительно очищенные на сооружениях механической очистки, направляются на биологическую очистку в аэротенках с регенераторами. Выделенный во вторичных отстойниках активный ил делится на два потока: циркулирующий с помощью насосной станции перекачивается в регенератор, а затем в аэротенк, избыточный поступает на осветление в первичные отстойники. Очищенная вода хлорируется и направляется в водоем или возвращается в производство. Выделенный осадок обрабатывается в метантенках и обезвоживается на иловых площадках, Выделяющийся при сбраживании газ идет на сжи­гание в котельную.
    4.2. Анаэробные методы очистки.

    Для обезвреживания осадков сточных вод и предварительной очистки концентрированных сточных вод может использоваться про­цесс анаэробного сбраживания. В зависимости от конечного вида про­дукта различают следующие виды брожения: спиртовое, пропионово-кислое, молочнокислое, метановое и др. Конечными продуктами бро­жения являются спирты, кислоты, ацетон, газы брожения (СO 2 , Н 2 , СН 4).

    Для очистки сточных вод используют метановое брожение. Процесс этот сложен и состоит из многих стадий, в метановом брожении различают две фазы. В первой фазе брожения (кислой) расщепляются сложные органические вещества с образованием органических кислот, а также спиртов, аммиака, ацетона, H 2 S, CO 2 , Н 2 и др., в результате чего сточные воды подкисляются до рН=5-6. Затем под действием метановых бактерий (щелочная фаза) кислоты разрушаются с образованием СН 4 и СO 2 . Считается, что скорости превращения в обеих фазах одина­ковы. В среднем степень распада органических соединений составляет 40 %.

    Процессы метанового брожения осуществляют в метантенках - герметически закрытых резервуарах, оборудованных приспособления­ми для ввода обрабатываемого и отвода сброженного осадка.

    Процессы сбраживания ведут в мезофильных (30-35 °С) и термофильных (50-55 °С) условиях. В термофильных условиях разрушение органических соединений происходит более интенсивно. Метантенк представляет собой железобетонный резервуар с коническим днищем, снабженный устройством для улавливания и отвода газа, а также оборудованный подогревателем и мешалкой. Применяются метантенки диаметром до 20 м и полезным объемом до 4000 м 3 .

    Процесс брожения сточных вод ведут в две ступени. При этом часть осадка из второго метантенка возвращается в первый, где обеспечивается хорошее перемешивание. При сбраживании выделяются газы со средним содержанием СН 4 - 63-65 %, СO 2 - 32-34 %. Теплотворная способность газа 23 МДж/кг, он сжигается в топках паровых котлов. Полученный при этом пар используется для нагрева осадков в метантенках или для других целей.

    Список литературы


    1. Техника защиты окружающей среды /Родионов А.И., Клушин В.Н., Торочешников Н.С. Учебное пособие для вузов. – М.: Химия, 1989.

    1. КомароваЛ.Ф., Кормина Л.А. Инженерные методы защиты окружающей среды. Техника защиты атмосферы и гидросферы от промышленных загрязнений: Учебное пособие. – Барнаул, 2000.

     

    Возможно, будет полезно почитать: