Использование микроорганизмов (бактерий, водорослей) от примесей является основой биохимического метода отчистки.
В результате своей жизнедеятельности микроорганизмы используют органические вещества в качестве питательной среды, при этом происходит деградация органики.
Для эффективного проведения биохимического очищения сточных вод важно соблюдать следующие условия:
Температурный режим - от +20 до +30оС;
. оптимальная кислотность среды - pH от 6,5 до 7,5;
. поступление достаточного количества кислорода, что значительно улучшает процесс разложения органических веществ микроорганизмами;
. предварительное удаление (уменьшение концентрации) токсичных веществ, оказывающих губительное действие на микроорганизмы.
Биохимическую очистку воды проводят с использованием следующих методов:
Поля фильтрации. Сточными водами периодически максимально заполняют огороженные участки земли. Далее вода фильтруется естественным образом проходя через почвенные поры. Примеси органических веществ задерживаются почвой и подвергаются разложению бактериями, в то время как очищенная вода собирается дренажной системой.
. Поля орошения - это специально выделенные участки земли, на которых происходит выращивание технических культур растений, и в тоже время очищение используемых для полива сточных вод. Отчистка от загрязнений происходит за счет естественных процессов, происходящих в почве. В результате разложения органических веществ в процессе жизнедеятельности микроорганизмов повышается плодородие почвы. 1 гектар полей орошения может принять до 50 кубометров сточных вод в сутки.
. Аэротенки - это искусственные резервуары, в которые загружают сточные воды, активный ил и обеспечивают доступ кислорода. Очищение обеспечивает рециркулируемый активный ил, который представляет собой специальный набор бактерий и простейших, способствующих максимально эффективному очищению.
. Биофильтры - очистительные сооружения, в которых находится специальный загрузочный материал (щебень, галька, керамзит, пластмасса). До начала очистительного процесса на поверхности загрузочного материала выращивают микроорганизмы, которые формируют биологическую пленку. Проходя через биофильтр, примеси сточных вод остаются на загрузочном материале, где происходит их разложение микроорганизмами биологической пленки. Вода в биофильтрах может подвергаться дополнительной аэрации.
Основным преимуществом биохимического метода отчистки является получение на выходе максимально чистой воды. Кроме того, в процессе отчистки не образуется никаких отходов, требующих отдельной утилизации.
Реагентный метод очистки сточных вод
Сутью реагентного метода очистки является использование химических реакций для инактивации токсических веществ, например за счет выпадения последних в нерастворимый осадок, который в последствии удаляют механически.
В рамках этого метода применяют:
Нейтрализацию, которая эффективно отчищает от загрязнения кислотами и щелочами;
. окислительно-восстановительные реакции;
. комплексообразование.
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.
Основными сооружениями биохимической очистки на отечественных НПЗ служат аэротенки и вторичные отстойники. Как правило, на очистных сооружениях НПЗ применяют аэротенки с рассредоточенным впуском сточных вод и аэротенки --смесители. Обычные аэротенки-- вытеснители -- чаще всего применяют на второй ступени очистки .
Биологические фильтры практически не нашли применения для очистки нефтесодержащих сточных вод на отечественных предприятиях, так как опыт их эксплуатации на одном из НПЗ показал, что эффект очистки в них значительно ниже, чем в аэротенках. В настоящее время биологические фильтры используют только на двух нефтеперерабатывающих заводах как вторую ступень очистки. Биологические пруды на отечественных заводах применяют только в качестве сооружений для доочистки биохимически очищенных сточных вод НПЗ .
Аэротенки
Аэротенк представляет собой аппарат с постоянно протекающей сточной водой, во всей толще которой развиваются аэробные микроорганизмы, потребляющие субстрат, т.е. "загрязнение" этой сточной воды.
Биологическая очистка сточных вод в аэротенках происходит в результате жизнедеятельности микроорганизмов активного ила. Сточная вода непрерывно перемешивается и аэрируется до насыщения кислородом воздуха. Активный ил представляет собой суспензию микроорганизмов, способную к флокуляции.
Механизм изъятия органических веществ из сточной воды и их потребление микроорганизмами может быть представлено тремя этапами :
1 этап - массопередача органического вещества из жидкости к поверхности клетки. Скорость протекания этого процесса определяется законами молекулярной и конвективной диффузии веществ и зависит от гидродинамических условий в аэротенке. Оптимальные условия для подведения загрязнений и кислорода создаются посредством эффективного и постоянного перемешивания содержимого аэротенка. Первый этап протекает быстрее последующего процесса биохимического окисления загрязнений.
2 этап - диффузия через полупроницаемые мембраны в клетке или самого вещества или продуктов распада этого вещества. Большая часть вещества поступает внутрь клеток при помощи специфического белка-переносчика, который образует комплекс, диффундирующий через мембрану.
3 этап - метаболизм органического вещества с выделением энергии и образованием нового клеточного вещества. Превращение органических соединений носит ферментативный характер.
Определяющими процессами для технологического оформления очистки воды являются скорости изъятия загрязнений и скорость разложения этих загрязнений. Активный ил в контакте с загрязнённой жидкостью в условиях аэрации проходит следующие фазы развития :
1. Лаг-фазу I, или фазу адаптации ила к составу сточной воды. Прироста биомассы практически не происхдит.
2. Фазу экспоненциального роста II, в которой избыток питательных веществ и отсутствие продуктов обмена способствуют максимальной скорости размножения клеток.
3. Фазу замедленного роста III, в которой скорость роста биомассы начинает сдерживаться недостатками питания и накоплением продуктов метаболизма.
4. Фазу нулевого роста IV, в которой наблюдается практически стационарное состояние в количестве биомассы.
5. Фазу эндогенного дыхания (или фазу самоокисления) V, в которой из-за недостатка питания начинаются отмирание и распад клеток, ведущие к снижению общего количества биомассы.
Аэротенки могут быть классифицированы по гидродинамическому режиму их работы:
I) аэротенки идеального вытеснения;
2) аэротенки идеального смешения;
3) аэротенки промежуточного типа
Гидродинамический режим работы аэротенков оказывает принципиальное влияние на условия культивирования микроорганизмов а следовательно, на эффективность и экономичность биологической очистки сточных вод.
Конструкции аэротенков могут быть различными и зависят от системы аэрации, способа распределения потоков сточных вод и возвратного ила и т.д. Имеются также конструкции аэротенков, совмещенных с отстойниками и фильтрами, с регенерацией активного ила и без нее.
Существует также классификация аэротенков по величине "нагрузки" на активный ил: высоконагружаемые (аэротенки на неполную очистку), обычные и низконагружаемые (аэротенки продленной аэрации).
Большое значение в конструкции аэротенков имеет система аэрации. Применяются аэротенки с пневматической, пневмомеханической, механической и эжекционной системами аэрации.
Аэрационные системы предназначены для подачи и распределения кислорода или воздуха в аэротенке, а также поддержания активного ила во взвешенном состоянии.
Аэротенки-смесители (аэротенки полного смешения) характеризуются равномерной подачей по длине сооружения исходной воды и активного ила и равномерным отводом иловой смеси. Полное смешение в них сточных вод с иловой смесью обеспечивает выравнивание концентраций ила и скоростей процесса биохимического окисления, поэтому аэротенки-смесители более приспособлены для очистки концентрированных производственных сточных вод (БПК полное до 1000 мг/л) при резких колебаниях их расхода, состава и количества загрязнений.
Рис.2.
Аэротенки-вытеснители. В отличие от аэротенков других типов (аэротенков-смесителей и аэротенков промежуточного типа), аэротенки-вытеснители представляют собой сооружения, в которых очищаемая сточная вода постепенно перемещается от места впуска к месту ее выпуска. При этом практически не происходит активного перемешивания поступающей сточной воды с ранее поступившей. Процессы, протекающие в этих сооружениях, характеризуются переменной скоростью реакции, поскольку концентрация органических загрязнений уменьшается по ходу движения воды. Аэротенки-вытеснители весьма чувствительны к изменению концентрации органических веществ в поступающей воде, особенно к залповым поступлениям со сточными водами токсических веществ, поэтому такие сооружения рекомендуется применять для очистки городских и близких по составу к бытовым промышленных сточных вод.
Рис.3.
При отсутствии резких колебаний расхода сточных вод и содержания токсических веществ вместо аэротенков-смесителей предпочтительнее применять аэротенки-вытеснителн, которые отличаются меньшим объемом и простотой конструкции.
Разновидностью аэротенков-вытеснителей является секционированный аэротенк, в котором для предотвращения возвратного движения воды коридоры сооружения разделены поперечными перегородками на пять-шесть последовательно проточных секций (ячеек). Секционирование оказывается целесообразным при длине коридоров в аэротенках менее 60--80 м.
Коридорный аэротенк работает практически как вытеснитель при отношении расстояния от впуска очищаемой воды до конца последнего коридора к ширине коридора не менее 50: 1. При ширине коридора 6 или 9 м минимальное расстояние от впуска сточной воды до конца последнего коридора должно составлять соответственно 300 и 450 м.
При использовании аэротенков с коридорами меньшей длины наблюдается процесс значительного осевого смешения, которое искажает эффект вытеснения. Для недопущения продольного перемешивания и приближения процесса к режиму вытеснения в этом случае необходимо предусматривать секционирование аэротенков. Секционирование может быть осуществлено путем установки в коридорах аэротенков легких вертикальных перегородок с отверстиями в нижней части. Скорость движения иловой смеси в отверстиях перегородок принимается равной не менее 0,2 м/с.
Для исключения отрицательного влияния залповых поступлений концентрированных сточных вод первая секция аэротенка должна иметь больший объем. Конструктивно такая секция оформляется как аэротенк-смеситель, что достигается рассредоточенным впуском в нее сточных вод. Расстояние между выпусками следует принимать не менее ширины коридора. Размер выпускных отверстий в распределительных лотках должен быть рассчитан на пропуск 50 % расхода стоков, поступающих в секцию. Конструкция аэротенков-вытеснителей (в том числе и секционированных) должна обеспечивать работу по схеме с регенерацией активного ила Регенерация ила принимается равной 25-50 % объема сооружений
Известные конструкции секционированного аэротенка с последовательным перетеканием очищаемой воды имеют недостатки, которые препятствуют их широкому использованию. Основной недостаток - неудовлетворительные условия адаптации активного ила в связи с различными режимами работы ячеек.
Аэротенки с рассредоточенным впуском сточной воды занимают промежуточное положение между смесителями и вытеснителями; их применяют для очистки смесей промышленных и городских сточных вод.
Рис. 4.
Аэротенки можно компоновать с отдельно стоящими вторичными отстойниками или объединять в блок при прямоугольной форме обоих сооружений в плане. Наиболее компактны комбинированные сооружения -- аэротенки-отстойники. За рубежом этот тип сооружения круглой в плане формы с механическими аэраторами получил название аэроакселатора. Совмещение аэротенка с отстойником позволяет увеличить рециркуляцию иловой смеси без применения специальных насосных станций, улучшить кислородный режим в отстойнике и повысить дозу ила до 3--5 г/л, соответственно увеличив окислительную мощность сооружения.
Разновидность аэротенка-отстойника -- аэроакселатор, предложенный НИКТИ ГХ, представляет собой круглое в плане сооружение. Осветленные сточные воды поступают в нижнюю часть зоны аэрации, куда пневматическим или пневмомеханическим способом подается воздух, что обеспечивает процесс биохимического окисления, а также создает циркуляционное движение жидкости в этой зоне и подсос иловой смеси из циркуляционной зоны отстойника. Из зоны аэрации иловая смесь через затопленные регулируемые переливные окна поступает в воздухоотделитель и далее в циркуляционную зону отстойника. Значительная часть иловой смеси через щель возвращается в зону аэрации, а отводимые очищенные сточные воды через слой взвешенного осадка поступают в отстойную зону.
Вторичные отстойники
Вторичные отстойники являются составной частью сооружений биологической очистки, располагаются в технологической схеме непосредственно после биоокислителей и служат для отделения активного ила от биологически очищенной воды, выходящей из аэротенков, или для задержания биологической пленки, поступающей с водой из биофильтров.
Эффективность работы вторичных отстойников определяет конечный эффект очистки воды от взвешенных веществ .
Для технологических схем биологической очистки сточных вод в аэротенках вторичные отстойники в какой-то степени определяют также объем аэрационных сооружений, зависящий от концентрации возвратного ила и степени его рециркуляции, способности отстойников эффективно разделять высококонцентрированные иловые смеси.
Иловая смесь, поступающая из аэротенков во вторичные отстойники, представляет собой гетерогенную (многофазную) систему, в которой дисперсионной средой служит биологически очищенная сточная вода, а основным компонентом дисперсной фазы являются хлопки активного ила, сформированные в виде сложной трехуровневой клеточной структуры, окруженной экзоклеточным веществом биополимерного состава.
Важнейшим свойством иловой смеси как дисперсной системы является ее агрегативная неустойчивость, которая выражается в изменении диаметра хлопков активного ила в пределах 20-300 мкм в зависимости от интенсивности турбулентного перемешивания.
При снижении интенсивности турбулентного перемешивания и последующем отстаивании иловой смеси в результате биофлокуляции происходит агрегирование хлопков активного ила в хлопья размером 1-5 мм, которые осаждаются под воздействием силы тяжести.
Осаждение хлопьев активного ила (при его концентрации в иловой смеси более 0,5-1 г/л) происходит с образованием видимой границы раздела фаз между осветляемой водой и илом.
Гидродинамический режим работы вторичных отстойников формируется в результате совокупного воздействия следующих гидродинамических условий:
* режим впуска иловой смеси в сооружение, оцениваемый скоростью ее входа и определяющий интенсивность взаимодействия входящего потока с потоками оседающего ила и осветляемой воды;
* процесс сбора осветленной воды, определяемый в основном скоростью подхода воды к сборному лотку и его удаленностью от уровня осевшего ила;
* режим отсоса осевшего ила, определяемый скоростью входа ила в сосуны илососа, уровнем стояния ила и удаленностью сосунов от сборного лотка.
Вторичные отстойники бывают вертикальными, горизонтальными и радиальными. Для очистных станций пропускной способности до 20000 м 3 /сут применяются вертикальные вторичные отстойники, для очистных станция средней и большой пропускной способности (более 15000 м 3 /сут) -- горизонтальные и радиальные.
Эти методы применяют для очистки хозяйственно-бытовых и промышленных сточных вод от многих растворённых органических и некоторых неорганических (сероводорода, аммиака, сульфидов, нитритов и др.) веществ. Процесс очистки основан на способности определённых микроорганизмов использовать указанные вещества для питания: органические вещества для микроорганизмов являются источником углерода. Микроорганизмы частично разрушают их, превращая в СO 2 , Н 2 O, нитрат и сульфат-ионы, частично используют для образования собственной биомассы. Процесс биохимической очистки по своей сути – природный, его характер одинаков для процессов, протекающих как в природных водоёмах, так и в очистных сооружениях.
Биологическое окисление осуществляется сообществом микроорганизмов (биоценозом), включающим множество различных бактерий, простейших и более высокоорганизованных организмов (водорослей, грибов), связанных между собой в единый комплекс сложными взаимоотношениями. Это сообщество называют активным илом, он содержит от 106 до 1014 клеток на 1 г сухой биомассы (около 3 г микроорганизмов на 1 литр сточной воды).
Известны аэробные и анаэробные методы биохимической очистки сточных вод.
Аэробный процесс. Для его осуществления используются группы микроорганизмов, для жизнедеятельности которых необходимы постоянный приток кислорода (2 мг O 2 /л), температура 20 – 30 °С, рН среды 6,5 – 7,5, соотношение биогенных элементов БПК: N: Р не более 100: 5: 1. Ограничением метода является содержание токсичных веществ не выше: тетраэтилсвинца 0,001 мг/л, соединений бериллия, титана, Сг 6+ и оксида углерода 0,01 мг/л, соединений висмута, ванадия, кадмия и никеля 0,1 мг/л, сульфата меди 0,2 мг/л, цианистого калия 2 мг/л.
Аэробная очистка сточных вод проводится в специальных сооружениях: биологических прудах, аэротенках, окситенках, биофильтрах.
Биологические пруды предназначены для биологической очистки и для доочистки сточных вод в комплексе с другими очистными сооружениями. Их выполняют в виде каскада прудов, состоящих из 3 – 5 ступеней. Процесс очистки сточных вод реализуется по следующей схеме: бактерии используют для окисления загрязнений кислород, выделяемый водорослями в процессе фотосинтеза, а также кислород из воздуха. Водоросли, в свою очередь, потребляют оксид углерода, фосфаты и аммонийный азот, выделяемый при биохимическом разложении органических веществ. Поэтому для нормальной работы прудов необходимо соблюдать оптимальные значения рН и температуру сточной воды. Температура должна быть не менее 6 °С, в связи с чем в зимнее время пруды не эксплуатируются.
Различают пруды с естественной и искусственной аэрацией. Глубина прудов с естественной поверхностной аэрацией, как правило, не превышает 1 м. При искусственной аэрации прудов с помощью механических аэраторов или продувки воздуха через толщу воды их глубина увеличивается до 3 м. Применение искусственной аэрации ускоряет процессы очистки воды. Следует указать и недостатки прудов: низкую окислительную способность, сезонность работы, потребность в больших территориях.
Сооружения для искусственной биологической очистки по признаку расположения в них активной биомассы можно разделить на две группы:
– активная биомасса находится в обрабатываемой сточной воде во взвешенном состоянии (аэротенки, окситенки);
– активная биомасса закрепляется на неподвижном материале, а сточная вода обтекает его тонким плёночным слоем (биофильтры).
Аэротенки представляют собой железобетонные резервуары, прямоугольные в плане, разделенные перегородками на отдельные коридоры.
Для поддержания активного ила во взвешенном состоянии, интенсивного его перемешивания и насыщения обрабатываемой смеси кислородом воздуха в аэротенках устраиваются различные системы аэрации (чаще механическая или пневматическая). Из аэротенков смесь обработанной сточной воды и активного ила поступает во вторичный отстойник, откуда осевший на дно активный ил с помощью специальных устройств (илососов) отводится в резервуар насосной станции, а очищенная сточная вода поступает либо на дальнейшую доочистку, либо дезинфицируется. В процессе биологического окисления происходит прирост биомассы активного ила. Для создания оптимальных условий её жизнедеятельности избыток ила выводится из системы и направляется в сооружения по обработке осадка, а основная часть в виде возвратного активного ила снова возвращается в аэротенк. Концентрация иловой массы в аэротенке (доза ила по сухому веществу) составляет 2 – 5 г/л; расход воздуха 5 – 15 м 3 на 1 м 3 сточной воды; нагрузка по органическим загрязнителям 400 – 800 мг БПК на 1 г беззольного активного ила в сутки. При этих условиях обеспечивается полная биологическая очистка. Время нахождения сточной воды в зависимости от её состава колеблется от 6 до 12 ч. Комплексы очистных сооружений, в состав которых входят аэротенки, имеют производительность от нескольких десятков до 2 – 3 млн. м 3 сточных вод в сутки.
Для пневматической аэрации сточных вод вместо воздуха может подаваться чистый кислород. Для такого процесса используются окситенки , несколько отличные по конструкции от аэротенков. Окислительная способность окситенков в 3 раза выше последних.
Биофильтры находят применение при суточных расходах бытовых и производственных сточных вод до 20 – 30 тыс. м 3 в сутки. Биофильтры представляют собой резервуары круглой или прямоугольной формы в плане, которые заполняются загрузочным материалом. По характеру загрузки биофильтры разделяют на две категории: с объёмной и плоскостной загрузкой. Объёмный материал, состоящий из гравия, керамзита, шлака с крупностью фракций 15 – 80 мм, засыпается слоем высотой 2 – 4 м. Плоскостной материал выполняется в виде жёстких (кольцевых, трубчатых элементов из пластмасс, керамики, металла) и мягких (рулонная ткань) блоков, которые монтируются в теле биофильтра слоем толщиной 8 м.
Анаэробный процесс . Здесь происходит биологическое окисление органических веществ в отсутствие молекулярного кислорода за счёт химически связанного кислорода в таких соединениях, как SO 4 2─ , SO 3 2─ , СO 3 2─ . Процесс протекает в две стадии: на первой образуются органические кислоты, на второй стадии образовавшиеся кислоты преобразуются в метан и СO 2: органические соединения + О 2 + кислотообразующие бактерии → летучие кислоты + СН 4 + СO 2 + Н 2 + новые клетки + другие продукты → летучие кислоты + О 2 + метанобразующие бактерии → СН 4 + СO 2 + новые клетки.
Основной процесс проводится в метантенках. В них перерабатывается активный ил и концентрированные сточные воды (обычно БПК > 5000), содержащие органические вещества, которые разрушаются анаэробными бактериями в ходе метанового брожения. Указанное брожение в естественных условиях протекает на болотах.
Основная цель анаэробной очистки – уменьшение объёма активного ила или количества органических веществ в сточной воде, получение метана (до 0,35 м 3 при нормальных условиях на 1 кг ХПК) и хорошо фильтрующего и без запаха осадка. Осадки после фильтрации могут быть использованы в качестве удобрения в растениеводстве (если содержание в них тяжёлых металлов ниже ПДК). Получаемый в метантенках газ содержит до 75 % (об.) метана (остальное – СO 2 и воздух) и используется в качестве горючего. В то же время анаэробный процесс весьма чувствителен к залповым выбросам, что приводит к выходу из «строя» микрофлоры. На её восстановление может быть потрачено от 1 до 6 месяцев. В связи с образованием метана этот процесс взрыво- и пожароопасен.
Биологическая очистка загрязнённых вод может быть, помимо биологических прудов, осуществлена в естественных условиях, для чего используют специально подготовленные участки земли (поля орошения и фильтрации). В этих случаях для освобождения сточных вод от загрязняющих примесей используется очищающая способность самой почвы. Фильтруясь сквозь слой почвы, вода оставляет в ней взвешенные, коллоидные и растворённые примеси. Микроорганизмы почвы окисляют органические загрязняющие вещества, превращая их в простейшие минеральные соединения – диоксид углерода, воду, соли.
Поля орошения используются одновременно для очистки сточных вод и выращивания зерновых и силосных культур, трав, овощей, а также посадки кустарников и деревьев. Поля фильтрации используются только для очистки сточных вод.
Земледельческие поля орошения (ЗПО) располагают на местности, имеющей уклон, ступенями для того, чтобы вода самотёком переливалась с одного участка на другой. Устройство ЗПО позволяет комплексно решать проблемы охраны окружающей среды, благоустройства города и развитие пригородного сельского хозяйства.
После биологической очистки сточных вод на искусственных сооружениях общее содержание в них бактерий уменьшается на 90 – 95 %, а при очистке на ЗПО – на 99 %. Для полного обеззараживания сточных вод их необходимо подвергнуть химическому обеззараживанию (хлором, озоном, пероксидом водорода, ультрафиолетом, ультразвуком).
При эксплуатации сооружений биологической очистки необходимо соблюдать технологический регламент их работы, не допускать перегрузок и особенно залповых поступлений токсичных компонентов, поскольку такие нарушения могут губительно сказаться на жизнедеятельности микроорганизмов. Поэтому в сточных водах, направляемых на биологическую очистку, содержание нефти и нефтепродуктов должно быть не более 25 мг/л, ПАВ – не более 50 мг/л, растворённых солей – не более 10 г/л. Кислотность сточных вод, поступающих на биохимическую очистку, не должна превышать 9, в противном случае микроорганизмы-минерализаторы погибнут.
Биохимические методы применяют для очистки хозяйственно-бытовых и промышленных сточных вод от многих растворенных органических и некоторых неорганических (сероводорода, сульфидов, аммиака, нитритов и др.) веществ.
Процесс очистки сточных вод от вредных веществ основан на способности микроорганизмов использовать эти вещества для питания в процессе жизнедеятельности - органические вещества для микроорганизмов являются источником углерода.
Сточные воды, направляемые на биохимическую очистку, характеризуются величиной БПК и ХПК.
БПК - это биохимическая потребность в кислороде или количество кислорода, использованного микроорганизмами для окисления органических веществ (не включая процессы нитрификации) за определенный промежуток времени (2, 5, 8,10, 20 сут.), в мг О2 на 1 литр. Например: БПК5 - биохимическая потребность в кислороде за 5 сут., БПКП0Лн- полная биохимическая потребность в кислороде до начала процессов нитрификации.
ХПК - химическая потребность в кислороде, то есть количество кислорода, необходимого для окисления всех органических веществ, содержащихся в воде. ХПК также выражают в мг О2 на 1 литр.
Известны аэробные и анаэробные методы биохимической очистки сточных вод
Аэробный метод основан на использовании аэробных групп организмов для жизнедеятельности которых необходимы постоянный приток кислорода и температура 20-40 °С. При изменении кислородного и температурного режимов состав и число микроорганизмов меняются. При аэробной очистке микроорганизмы культивируются в активном иле или биопленке.
Анаэробные методы очистки протекают без доступа кислорода; их используют, главным образом, для обезвреживания осадков.
Активный ил состоит из живых организмов и твердого субстрата. Живые организмы представлены скоплениями бактерий ^и одиночными бактериями, простейшими червями, плесневыми грибами, дрожжами, актиномицетами и редко - личинками насекомых, рачков, а также водорослями и др. Сообщество всех живых организмов, населяющих ил, называют биоценозом. Биоценоз активного ила в основном представлен двенадцатью видами микроорганизмов и простейших
Сухое вещество активного ила содержит 70-90% органических и 30-10% неорганических веществ. Субстрат, которого в активном иле может быть до 40%, представляет собой твердую отмершую часть остатков водорослей и различных твердых остатков. К нему прикрепляются организмы активного ила.
Качество ила определяется скоростью его осаждения и степенью очистки жидкости. Крупные хлопья оседают быстрее, чем мелкие. Состояние ила характеризует иловый индекс, который представляет собой отношение объема осаждаемой части активного ила к массе высушенного осадка (в граммах) после отстаивания в течение 30 мин. Измер в см3/г Чем хуже оседает ил, тем более высокий иловый индекс он имеет
Биопленка растет на наполнителе биофильтра,1 она имеет вид слизистых обрастаний толщиной 1-3 мм и более. Цвет ее меняется с изменением состава сточных вод от серовато-желтого до темно-коричневого. Биопленка состоит из бактерий, грибов, дрожжей и других организмов.
Для того, чтобы происходил процесс биохимического окисления органических веществ, находящихся в сточных водах, они должны попасть внутрь клеток микроорганизмов. К поверхности клеток вещества поступают за рчет конвективной и молекулярной диффузии, а внутрь клеток - диффузией через полупроницаемые цитоплазматические мембрань^ возникающей вследствие разности концентраций веществ в клетке и вне ее." Однако большая часть вещества попадает внутрь клеток при помощи специфического белка-переносчикаГ Образующийся растворимый комплекс вещество-переносчик диффундирует через мембрану в клетку, где он распадается, и белок-переносчик включается в новый цикл переноса.
Основную роль в процессе очистки сточных вод играют процессы превращения вещества, протекающие внутри клеток микроорганизмов. Эти процессы заканчиваются окислением вещества с выделением энергии и синтезом новых веществ с затратой энергии.
Внутри клеток микроорганизмов происходит непрерывный и очень сложный процесс химических превращений. В строгой последовательности с большой скоростью протекает большое число реакций. Скорость реакций и их последовательность зависят от вида и содержания ферментов, которые выполняют роль катализаторов. Ферменты ускоряют только те реакции, которые протекают самопроизвольно, но с очень малой скоростью.
Ферменты (или энзимы) представляют собой сложные белковые соединения с молекулярной массой, достигающей сотен тысяч и миллионов в ед.
Нитрификация и денитрификация . При очистке сточных вод под действием нитрифицирующих бактерий протекают процессы нитрификации и денитрификации. Нитрифицирующие бактерии окисляют азот аммонийных соединений сначала до нитритов, а потом до нитратов. Этот процесс называется нитрификацией и протекает в две стадии. Он является конечной стадией минерализации азотсодержащих органических веществ. Присутствие нитрат-ионов в очищенной сточной воде является одним из показателей полноты очистки. Ф-ла
Под действием денитрифицирующих бактерий связанный кислород отщепляется от нитритов и нитратов и вновь расходуется на окисление органических веществ. Этот процесс называется денитрификацией. Условиями осуществления процесса денитрификации, являются: наличие органических веществ, небольшой доступ кислорода, нейтральная или слабощелочная реакция.
Денитрификация - процесс многостадийный и может протекать с образованием аммиака, молекулярного азота либо оксидов азота. При очистке сточных вод денитрификация протекает, главным образом, с образованием азота (редко образуется NH3- аммиак) Ф-лы
Органические азотсодержащие соединения разлагаются с образованием аммиака. Например, карбамид (мочевина) разлагается по уравнению CO(NH2)2 + 2Н2О→ (NH4)2СО3=2NH3 + СО2 + Н2О
Разложение органических соединений может происходить через образование аминокислот, которые далее выделяют аммиак при протекании различных процессов.
Методы биохимической очистки
Аэробные процессы биохимической очистки сточных вод могут протекать в природных (естественных) условиях и искуствен-ных сооружениях. Биохимическую очистку называют полной, если БПК очищенной воды составляет менее 20 мг/л, и неполной при БПК более 20 мг/л.
В естественных условиях очистка происходит на полях орошения, полях фильтрации и биологических прудах. Искусственные сооружения - аэротенки и биофильтры разной конструкции. В искусственных сооружениях процессы очистки протекают с большей скоростью, чем в естественных условиях.
8.3.1 Биохимическая очистка в природных условиях
В естественных условиях очистка происходит на полях орошения, полях фильтрации и биологических прудах.
Сооружения естественной очистки применяются в основном для очистки бытовых сточных вод Производительность от 1 м3/сут. до 100 тыс. м3/сут.
Если на полях выращ-ся с/х куль-ры, то такие земледель-е поля после Биол оч улавли-ся и удобр-ся- это поля орошения. Очистка сточных вод идет под действием почвенной микрофлоры (бактерии, актиномиценты, дрожжи, грибы, водоросли, простейшие, беспозвоночные), солнца, воздуха и под влиянием жизнедеятельности растений
Если на полях не выращиваются сельскохозяйственные культуры и они предназначены только для биологической очистки сточных вод, то они называются полями фильтрации . Земледельческие поля орошения после биологической очистки увлажняются и используются для выращивания сельскохозяйственных культур.
В процессе биохимической очистки на полях сточные воды фильтруются через слой почвы В ней задерживаются взвешенные и коллоидные вещества, которые со временем образуют в порах почвы микробиологическую пленку Образовавшаяся пленка адсорбирует коллоидные частицы и растворенные в сточных водах вещества. Проникающий из воздуха в поры кислород окисляет задержанные органические вещества, превращая их в минеральные соединения. В глубокие слои почвы проникновение кислорода затруднено, поэтому наиболее интенсивное окисление происходит в верхних слоях почвы (0,2-0,4 м) При недостатке кислорода в прудах начинают преобладать анаэробные процессы.
При применении очистных сооружений с полями орошения и круглогодичном приеме сточных вод с сезонным регулированием их подачи, полив осуществляется только в вегетационный период, а остальное время года сточные воды поступают в пруды-накопители вместимостью, равной шестимесячному расходу сточных вод.
Биологические пруды. Предназначены для биохимической очистки и для доочистки сточных вод в комплексе с другими очистными сооружениями Представляют собой каскад прудов, состоящий из 3-5 ступеней, через которые с небольшой скоростью протекает осветленная или биологически очищенная сточная вода.
Различают пруды с естественной и искусственной аэрацией. Пруды с естественной аэрацией имеют небольшую глубину (0,5-1 м), хорошо прогреваются солнцем и заселены водными организмами.
Бактерии используют для окисления загрязнений кислород, выделяемый водорослями в процессе фотосинтеза, а также кислород из воздуха. Водоросли, в свою очередь, потребляют СО2, фосфаты, аммонийный азот, выделяемые при биохимическом разложении органических веществ.
Осенью пруды опорожняются. Один раз в два-три года производится перепашка дна и посадка растительности.
Аэротенки . Аэротенки представляют собой железобетонные резервуары, прямоугольные в плане, разделенные перегородками н отдельные коридоры (двух-, трех- и четырехкоридорные). Пр-с оч-ки идет по мере протекания ч/з аэротенк аэрированной смеси ст воды и актив ила. Аэрация нео-ма для насыщения ст воды О2 и для подд-я ила во взвеш-ом сост-ии. По структуре потоков сточной воды и возвратного активного ила аэротенки бывают трех типов:
1) аэротенки - вытеснители;
2) аэротенки - смесители;
3) аэротенки промежуточного типа (рис.8.2).
В аэротенках-вытеснителях воду и ил подают в начало сооружения, а смесь отводят в конце его. Аэротенк имеет 1-4 коридора. Такие аэротенки применяют для окисления малоконцентрированных вод (БПК полн до 300 мг/л).
В аэротенках-смесителях воду и ил вводят равномерно вдоль длинных сторон коридора аэротенка. Они предназначены для очистки концентрированных производственных сточных вод (БПК полн до 1000 мг/л).
Рис. 8.2. Схемы аэротенков с различной структурой потоков
сточной воды и возвратного активного ила: а - аэротенк-вытеснитель; б - аэротенк-смеситель; в - аэротенк промежуточного типа с рассредоточенной подачей сточной воды
В аэротенках с рассредоточенной подачей сточной воды ее подают в нескольких точках по длине аэротенка, а отводят из торцевой части. Возвратный ил полностью подают в начало аэротенка. Эти аппараты занимают промежуточное положение между аэротенками-вытеснителями и аротенками-смесителями
Время нахождения в аэротенке обрабатываемой сточной воды составляет 6-12(24) ч. За это время масса органических загрязнений перерабатывается биоценозом активного ила. Из аэротенка смесь обработанной сточной воды и активного ила поступает во вторичный отстойник, где активный ил оседает на дне отстойника, затем отводится в резервуар насосной станции, а очищенная сточная вода поступает либо на дальнейшую доочистку, либо на обезвреживание. В процессе биологического окисления происходит прирост биомассы активного ила. Избыток ила выводится из системы в сооружения по обработке осадка. Основная часть в виде циркуляционного активного ила снова возвращается в аэротенк. Комплексы очистных сооружений, в состав которых входят аэротенки, имеют производительность от нескольких десятков кубических метров сточных вод в сутки до 2-3 млн. м3/сут.
Биофильтры. Применяются при расходах бытовых и производственных сточных вод до 20-30 тыс. мэ/сут. Биофильтр представляет собой резервуар, круглый или прямоугольный в плане, который заполняется загрузочным материалом. В БФ ст вода фильт-ся ч/з слой загрузки. к-рая покрыта пленкой из микроорган-ов. В качестве загрузки используют различные материалы с высокой пористостью, ма- > лой плотностью и большой удельной поверхностью. Загрузочный материал поддерживается решетчатым днищем. По типу загрузочного материала биофильтры делят на две категории.