Биологические методы очистки сточных вод

Размещено на http://www.allbest.ru/

Биологические методы очистки сточных вод

Аннотация

В данной бакалаврской работе рассмотрены биологические методы очистки сточных вод. В частности были изучены процессы окисления органических загрязнений, протекающие в аэробных (в аэротенках, биофильтрах) и анэробных условиях (метантенках, септиктенках). Проведен термодинамический анализ реакции окисления глюкозы с помощью микроорганизмов в аэробных условиях, а также расчет и выбор типа биофильтра для данного процесса.

Полученные результаты доказывают что, процессы окисления активно протекает в биофильтрах, и при этом эффективно очищают сточные воды, БПК снизилась ниже предельно допустимого значения.

Работа содержит 79 страниц, 17 рисунков, 11 таблиц, 15 литературных ссылок.

аэробный экологический вода сточный

Содержание

Введение

Раздел 1. Литературный обзор

1.1 Классификация сточных вод

1.2 Источники и виды загрязнений

1.3 Экологическая значения и характеристика микроорганизмов окисляющих органические вещества, содержащиеся в сточных водах

1.3.1 Роль микроорганизмов

1.3.2 Механизмы реакций окисления органических соединений с помощью микроорганизмов

1.4 Путь реализации биологической очистки сточных вод

1.4.1 Аэробные процессы очистки сточных вод

1.4.2 Анаэробные очистки сточных вод

1.4.3 Биологические аспекты очистки сточных вод с помощью активного ила

Раздел 2. Технологические схемы очистки сточных вод

2.1 Обобщенная технологическая схема очистки сточных вод

2.2 Схемы биологической очистки сточных вод

Раздел 3. Расчет биофильтров

3.1 Расчет на ЭВМ высоконагруженного биологического фильтра

3.1.1 Постановка задачи

3.1.2 Таблица идентификаторов программы "Biofikr"

3.1.3 Результаты расчетов по программе "Biofltr'

3.1.4 Вывод

3.2 Термодинамический анализ

3.2.1 Исходные данные для термодинамического анализа реакции

3.2.2 Расчет термодинамических функций

3.2.3 Выводы термодинамического анализа

3.3 Материальный баланс

3.4 Определение тепловой нагрузки на биореактор

Заключение

Список использованной литературы

Введение

Современная химическая предприятия использует большое количество вод, измеряемое миллион м³ в сутки, так мощный электрический химический комбинат по производству продуктов хлорорганического синтеза потребляет столько же воды, сколько город с населением 600000 человек. Наряду с этим, химические предприятия сбрасывают большое количество сильно загрязненных вод. Таким образом, рациональное комплексное использование водных ресурсов является крупной технологической, технической и экономической задачей.

В зависимости от назначения потребляемой воды условно подразделяется на промышленную и питьевую воды. В каждой из них содержание примесей фегламентирутся соответственно государственным стандартам. Питьевая вода в первую очередь освобождается от бактерий, к ней предъявляет особое требование в отношении вируса, цвета и запаха. Промышленная вода не должна содержать примеси больше допустимой нормы, которую устанавливали в зависимости от производства, на котором используется вода.

В сточных водах содержаться очень разнообразные примеси, грубодисперсные, коллоидные частицы, минеральные, органические вещества и биологические микроорганизмы. В задаче очистки воды включаются следующие операции: осветление обеззараживание, умягчение, дегазация и дистилляции. Очистку сточных вод химических производств можно осуществлять различными методами: механическими, химическими, физико-химическими и биологическими. Кроме того, используют термические методы, приводящиеся к ликвидации сточных вод, а также методы закачки сточных в подземных горизонтах или их захоронении. Применяющие методы очистки сточных могут быть подразделяется на регенеративные связанные с извлечением примесей и деструктивные обуславливающие разрушением примесей. Важное место среди этих методов очистки промышленных и бытовых стоков занимает биологическая очистка. Этот метод основан на способности микроорганизмов утилизировать в качестве питательных веществ органические соединения, растворенные в сточных водах. Потребление органики может происходить как в присутствии кислорода (аэробная очистка), так и в его отсутствие (анаэробная очистка). Благодаря высокой эффективности данный метод очистки сточных вод получили наиболее широкое распространение.

Раздел 1. Литературный обзор

1.1 Классификация сточных вод

Сточные воды, образующиеся на промышленных предприятиях, а также отводимые с их территории по составу можно разделить на три категории: производственные (использованные в технологическом процессе производства или образующиеся при добыче полезных ископаемых); бытовые (от санитарных узлов производственных и непроизводственных корпусов и зданий, а также от душевых установок, имеющихся на территории предприятия); атмосферные (дождевые и образующиеся от таяния снега).

В свою очередь, производственные сточные воды можно подразделить на два основных вида: загрязненные и незагрязненные.

Загрязненные производственные сточные воды могут содержать преимущественно органические, либо минеральные примеси. По содержанию примесей (в мг/л) производственные сточные воды подразделяют на четыре группы: от 1 до 500; 500-5000; 5000-30 000; более 30 000.

Производственные сточные воды можно различать также по физическим свойствам, например, по температуре кипения: кипящие при температуре ниже 120^оС, при 120-250^оС и выше 250^оС (в зависимости от состава примесей). По степени агрессивности сточные воды могут быть слабоагрессивными (слабокислые с рН 6-6,5 и слабощелочные с рН 8-9), сильноагрессивными (сильнокислые с рН < 6 и сильнощелочные с рН > 9) и неагрессивными (с рН 6,5-8).

Незагрязненные производственные сточные воды поступают от холодильных, компрессорных, теплообменных аппаратов. Кроме того, они образуются при охлаждении технологического оборудования и продуктов производства.

По техническим процессам производственные сточные воды подразделяется на следующие виды:

- Реакционные воды характерны образоваться в результате процессов протекания с образованием воды. Они загрязнены как исходными веществами, так и продуктами реакции.

- Воды содержать в сырьё, они могут быть свободными или связанными и содержать во многих видах сырья. Они загрязнены все возможными органическими и неорганическими веществами

- Промывая вода широко использует для промывки сырья продуктов с целью повышения качества получаемых веществ. Они загрязнены органическими веществами и примесей.

- Маточные водные растворы образуются в результате проведения процессов в водных средах. Они сильно загрязнены примесями как органическими, так и неорганическими.

- Водные экстракты и абсорбционные жидкости. Особенно большое количество этих сточных вод образуется при мокрой очистки отходящих газов. Содержание состоит из значительного количества химических веществ.

- Другие виды сточных вод: воды образуются от ваккумнасосов, конденсации паров воды, от мойки оборудования, тары, помещения. Атмосферные осадки территории химическими веществами.

1.2 Источники и виды загрязнений

Загрязнение природных вод наносит огромный ущерб, как природе, так и экономике страны. Загрязненные водоисточники становятся лишь ограниченно пригодными, а во многих случаях и совершенно непригодными для хозяйственно-питьевого и промышленного водоснабжения, орошения сельскохозяйственных угодий, рыбного хозяйства. Загрязненные реки и водоемы нельзя использовать для водных видов спорта и отдыха, они нередко становятся источниками инфекционных заболеваний. Примеси, поступающие в водные объекты со сточными водами химических предприятий, можно подразделить на минеральные, органические и биологические.

Минеральные загрязнения: к минеральным загрязнениям относятся песок, глина, зола и шлаки, растворы и эмульсии солей, кислот, щелочей и минеральных масел, другие неорганические соединения. Они ухудшают физико-химические и органолептические свойства воды, отравляют фауну водоемов. Менее опасны минеральные загрязнения без специфического токсического действия: взвешенные частицы песка, глины, других пород, но и они ухудшают свойства воды и способствуют заиливанию водоемов. Весьма неблагоприятное воздействие на водоемы и водотоки оказывают сточные воды, содержащие значительные количества ртути и мышьяка. Они поступают с предприятий, производящих пестициды, и с некоторых других производств. Сильными токсическими свойствами обладают соединения ртути и кадмия. Многие составляющие промышленных стоков вообще не поддаются разложению под действием биохимических процессов, протекающих в водоемах, и накапливаются в них, вызывая резкие изменения состава и свойств природных вод, а нерастворимые в воде отходы ряда химических производств легко проникают в биологические системы и накапливаются в трофических цепях.

К органическим загрязнениям относятся смолы, фенолы, красители, спирты, альдегиды, нафтеновые кислоты, серо- и хлорсодержащие органические соединения, различные пестициды, смываемые в водоемы с сельскохозяйственных угодий, синтетические поверхностно-активные вещества и др. На поверхностные и подземные воды отрицательно влияют нефть и нефтепродукты. На поверхности рек и водоемов образуются пленки, а на дне - отложения. Даже при незначительном (0,2-0,4 мг/л) содержании нефти вода приобретает специфический запах, который не исчезает после хлорирования и фильтрования. Присутствие нефтепродуктов особенно пагубно для рыб. Наличие в воде более 0,1 мг/л нефти придает мясу рыб не устраняемые никакой технологической обработкой привкус и специфический запах. Большую опасность представляют фенольные соединения, содержащиеся в сточных водах предприятий лесохимической, коксохимической, сланцевой, анилинокрасочной промышленности, а также различных заводов, вырабатывающих вещества для химической обработки сельскохозяйственного сырья. Обладая сильными антисептическими свойствами, эти соединения нарушают биологические процессы в водоемах; вода приобретает резкий неприятный запах, ухудшаются условия для воспроизводства рыбы. В последние годы наблюдается загрязнение природных вод синтетическими поверхностно-активными веществами (ПАВ), которые содержатся в сточных водах некоторых производств. ПАВ придают воде привкусы и запахи, образуют стойкие скопления пены, снижают способность воды к биохимической очистке. Даже при небольших концентрациях ПАВ в воде прекращается рост какой бы то ни было растительности.

Биологические загрязнения: биологические загрязнения - это болезнетворные бактерии и вирусы, возбудители инфекций; они попадают в водоемы с бытовыми сточными водами, а также со сточными водами некоторых производств (главным образом химических). Использование такой воды в качестве питьевой и для бытовых нужд провоцирует серьезные заболевания: холеру, инфекционный гепатит, дизентерию, брюшной тиф, заражение различными видами гельминтов (гельминтоз) и т.д.

Другие виды загрязнений: выпуск в природные водоемы теплых вод от различных энергетических установок усиливает испарение, сопровождающееся увеличением минерализации воды. Это приводит к уменьшению количества растворенного кислорода в воде, что отрицательно влияет на растительность и живые организмы. Наибольшую опасность для природных вод, здоровья людей, обитания животных и рыб представляют различные радиоактивные отходы. Мелкие организмы, усваивающие эти вещества в небольших дозах, поглощаются более крупными, в которых радиоактивные элементы накапливаются до опасных концентраций. Именно поэтому отдельные особи пресноводных рыб оказывается во много раз «радиоактивнее» той водной среды, в которой они обитают.

Соотношение между отдельными видами загрязняющих примесей в различных водоемах зависит от объемов и специфики, поступающих в них сточных вод, характера и степени загрязненности атмосферы и проводимых воздухо- и водоохранных мероприятий.

1.3 Экологическая значения и характеристика микроорганизмов окисляющих органические вещества, содержащиеся в сточных водах

1.3.1 Роль микроорганизмов

Микроорганизмы распространены во всех частях биосферы (в воде, воздухе и в почве); в 1 см3 почвы, например, их содержится до 100 миллионов. Этот факт уже сам по себе свидетельствует о той важной роли, какую играют микроорганизмы в биосфере и в человеческой деятельности. Роль микроорганизмов заключается в их способности осуществлять биохимические превращения почти всех органических веществ естественного происхождения, включая и те, которые находятся в растворенном состоянии в воде. Эти превращения связаны в один комплекс со сложными последовательными реакциями, протекающими при участии специфических катализаторов белковой природы - ферментов. С биохимической точки зрения ферментация - особая категория биохимических превращений органических веществ (субстратов), совершаемых в результате жизнедеятельности микроорганизмов.

При подходящих условиях микроорганизмы растут, размножаются, перерабатывают органические вещества, используя их в качестве пищи, и выделяют в окружающую среду разнообразные конечные продукты. Процессы минерализации органической материи (превращения ее в неорганические вещества) в зависимости от условий и вида микроорганизмов разделяются на две большие группы - аэробные и анаэробные. По этому же принципу подразделяются на два вида и способы биологической очистки сточных вод.

Промышленное применение микроорганизмов заключается в управлении процессом биохимического превращения органических веществ при участии микроорганизмов и ферментов.

Одним из наиболее типичных примеров промышленного применения микроорганизмов - биохимическая очистка сточных вод. Органические вещества, содержащиеся в бытовых и промышленных сточных водах, являются благоприятной средой для микроорганизмов, которые в ней быстро размножаются, используя часть пищи для синтеза новых клеток, а другую перерабатывая в простые минеральные продукты - СО2, Н2О и др. Этот процесс, протекающий в присутствии кислорода (воздуха), называется «биохимическим» окислением.

До биохимического окисления сточные воды подвергаются механическому очищению (осаждению). В осадках, образующихся в результате механического и биохимического очищения сточных вод, органические вещества минерализуются затем чаще всего за счет анаэробных биохимических процессов.

Механизм изъятия органических веществ из сточных вод и их переработки микроорганизмами очень сложен и полностью не изучен. Согласно современным теориям его можно описать тремя последовательными стадиями:

- массообмен и сорбция субстрата на поверхности микроорганизмов;

- диффузия субстрата через клеточную мембрану микроорганизмов;

- метаболизм субстрата в клетках.

Суспендированные вещества и крупные молекулы в растворе надо заранее разрушить, чтобы они могли легко проходить сквозь клеточную оболочку. Это разрушение происходит при помощи ферментов, выделяемых бактериями.

Возможны два пути переноса вещества от поверхности внутрь клетки:

- последовательное растворение вещества в оболочке клетки и цитоплазматической мембране, благодаря чему оно диффундирует внутрь клетки;

- присоединение транспортируемого вещества к специфическому белку-переносчику, находящемуся в мембране; дальнейшее превращение комплекса вещество-переносчик в растворимое состояние; диффузия комплекса через мембрану в клетку, где комплекс распадается, и белок-переносчик высвобождается для совершения нового цикла.

Основную роль в очистке сточных вод играют процессы превращения вещества, происходящие в клетках микроорганизмов, а именно окисление вещества, сопровождающееся выделением энергии, и синтез новых белковых веществ, протекающий с затратой энергии.

При потреблении микроорганизмами питательных веществ, содержащихся в сточных водах, в микробной клетке одновременно протекают два взаимосвязанных процесса - синтез протоплазмы и окисление органических веществ (на окисление клетка потребляет кислород, растворенный в сточной жидкости).

Скорость потребления кислорода активным илом зависит от многих взаимосвязанных факторов: концентрации микроорганизмов и простейших в активном иле, скорости их роста и физиологической активности; концентрации и состава питательных веществ, поступающих с загрязненным потоком, а также от содержания кислорода в среде и условий аэрации в аэротанке.

В процессе биоокисления органических веществ микроорганизмами важнейшую роль играет транспорт кислорода в системе газ-жидкость-клетка, в связи, с чем процессы массопередачи и гидродинамики в аэротенках являются основополагающими.

Пути реализации биологической очистка сточных вод.

Для очистки сточных вод широко используются два типа биологических процессов: аэробные (в которых микроорганизмы используют растворенный в сточных водах) и анаэробные (в которых микроорганизмы не имеют доступа ни к свободными растворенному кислороду ни к другим, предпочтительным в энергических отношениях акцепторам электронов).

1.3.2 Механизмы реакций окисления органических соединений с помощью микроорганизмов

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.

Скорость биохимических реакций определяется активностью ферментов, которая зависит от температуры, рН и присутствия в сточной воде различных веществ. С повышением температуры скорость ферментативных процессов повышается, но до определенного предела. Для каждого фермента имеется оптимальная температура, выше которой скорость реакции падает. Для разрушения сложной смеси органических веществ необходимо 80-- 100 различных ферментов.

К числу веществ (активаторов), которые повышают активность ферментов, относятся многие витамины и катионы Са²⁺, Mg²⁺, Mn²⁺. В то же время соли тяжелых металлов, синильная кислота, антибиотики являются ингибиторами. Они блокируют активные центры фермента, препятствуя его реакции с субстратом, т. е. резко снижают активность. Скорость образования и распада ферментов зависит от условий роста микроорганизмов и определяется скоростью поступления в клетку веществ, ингибирующих и активирующих биохимические процессы.

Если в сточных водах находится несколько веществ, то процесс окисления будет зависеть от содержания и структуры всех растворенных органических веществ. В первую очередь будут окисляться те вещества, которые необходимы для создания клеточного материала и для получения энергии. Другие вещества потребляются микроорганизмами в зависимости от набора ферментов с равными или разными скоростями окисления одновременно или последовательно. Порядок окисления вещества сказывается на продолжительности очистки сточных вод. При последовательном окислении вещества продолжительность очистки определяется суммой длительности окисления каждого вещества в отдельности.

Внутри клетки химические соединения подвергаются различным анаболическим и катаболическим превращениям. Анаболические превращения приводят к синтезу новых клеточных компонентов, а катаболические являются источниками необходимой: для клетки энергии. Суммарные реакции биохимического окисления в аэробных условиях схематично можно представить в следующем виде

Реакция показывает характер окисления вещества для удовлетворения энергетических потребностей клетки, вторая реакция -- для синтеза клеточного вещества. Затраты кислорода на эти реакции составляют БПК_полн сточной воды. Если процесс окисления проводить дальше, то начинается превращение клеточного вещества. Общий расход кислорода на четыре реакции приблизительно вдвое больше, чем на эти реакции. Как видно из реакций, 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), которая образуется в ходе реакции присоединения остатка фосфорной кислоты к молекуле аденозиндифосфорной кислоты (АДФ):

АДФ + Н₃РО₄ -АТФ + Н₂О

Большое число биохимических реакций осуществляется с участием кофермента А. Кофермент А (или КоА, КоА -- SH кофермент ацилирования) является производным в-меркаптоэтиламида пантотеновой кислоты и нуклеотида -- аденозин-3,5-дифосфата (C₂₁H₃₆O₁₆₇P₃S). Его молекулярная масса 767,56. Чистый КоА -- белый аморфный порошок, хорошо растворимый, в воде, является сильной кислотой, с тяжелыми металлами образует нерастворимые в воде меркаптиды, легко окисляется (I₂, Н₂О₂, КМпО₄, а также кислородом воздуха) с образованием дисульфидов, особенно в присутствии следов тяжелых металлов. КоА активирует карбоновые кислоты, образуя с ними промежуточные соединения, ацилпроизводные КоА.

Микроорганизмы способны окислять многие органические вещества, но для этого требуется разное время адаптации. Легко окисляются бензойная кислота, этиловый и амиловый спирты, гликоли, хлоргидриды, ацетон, глицерин, анилин, сложные эфиры и др. Так, одно-, двух- и трехатомные спирты, а также вторичные спирты хорошо окисляются, а третичные спирты окисляются с небольшой скоростью. Различной скоростью окисления обладают хлорпроизводные органические соединения, а нитросоединения плохо окисляются. Наличие функциональных групп увеличивает способность к биологическому разрушению соединений в такой последовательности: --СН₃, --ООССН₃ , --СНО, --СН₂ОН, --СНОН, --СООН, --CN, --NH₂, --ОНСООН, --SO₃H.

Наличие двойной связи в некоторых случаях облегчает биологическое разложение соединений. С увеличением молекулярной массы вещества скорость биологического окисления уменьшается. Поверхностно-активные вещества окисляются с разной скоростью. Биологически «жесткие» ПАВ -- трудноокисляемые„ а «мягкие» -- легкоокисляемые. Таким образом, не все вещества окисляются с одинаковой скоростью.

Установлено, что вещества, находящиеся в сточных водах: в коллоидном или мелкодисперсном состоянии, окисляются с меньшей скоростью, чем вещества, растворенные в воде. Сначала в сточных водах из смеси веществ в первую очередь окисляются те вещества, которые лучше усваиваются микроорганизмами.

Окисление органических веществ до СО₂ и Н₂О происходит в несколько стадий. Окисление углеводов описывается сложной схемой:

Цикл трикарбоновых кислот (цикл Кребса, цикл лимонной кислоты, ЦТК) состоит из серии последовательных реакций, катализируемых десятью различными ферментами. Последовательность реакций описана ниже.

Ацетил-КоА под действием фермента конденсируется с щавелево-уксусной кислотой, образуя лимонную кислоту, которая под действием фермента изомеризуется в цисаконитовую кислоту, а затем в изолимонную кислоту,, которая подвергается окислительному декарбоксилированию. Этот процесс протекает в две стадии: сначала происходит дегидрирование изолимонной: кислоты с образованием щавелево-янтарной кислоты, которая затем декарбоксилируется, превращаясь в кетоглутаровую кислоту. Далее происходит окислительное декарбоксилирование кетоглутаровой кислоты и образуется сукцинил-КоА, который превращается в свободную янтарную кислоту. Далее идет дегидрирование янтарной кислоты с образованием фумаровой кислоты, которая превращается в яблочную кислоту. После дегидрирования возникает щавелево-уксусная кислота, которая может вновь конденсироваться с ацетил-КоА (СН₃--СО--S--КоА).

Окисление метана и этанола. Метан окисляется по схеме:

СH₄ > CH₃OH > HCHO > HCOOH > CO₂

Микроорганизмы превращают в уксусную кислоту, которая после реакции с ацетил-КоА включается

CH₃CH₂OH > CH₃CHO > CH₃COOH> ацетил-КоА > ЦТК

Пути метаболизма ароматических соединений очень многообразны. Распад этих соединений связан с разрывом кольца. На это бактериям требуется кислород. Различают три типа разрыва ароматического кольца. По первому типу кольцо разрывается между двумя соседними гидроксилированными атомами углерода. Например, под действием фермента разрыв кольца пирокатехина приводит к образованию цис,цис-нуконовой кислоты. По этому пути распадаются фенол, бензойная кислота, нафталин, фенантрен, антрацен и др.

Окисление фенола начинается с его гидроксилирования в орто-положении, при этом образуется пирокатехин (дифенол).

Большинство ароматических соединений образует сначала пирокатехин (или пирокатехиновую кислоту), который преобразуется в р-кетоадипиновук кислоту. Эта кислота с участием КоА включается в цикл трикарбоновых кислот.

Второй путь разрыва кольца ароматических соединений -- это разрыв связи между гидроксилированцым и негидроксилированным углеродными атомами. В этом случае под действием фермента пирокатехин распадается на полуальдегид 2-оксимуконовой кислоты, который далее превращается в уксусную, щавелево-уксусную, муравьиную кислоты или ацетальдегид.

Третий путь характеризуется разрывом кольца между гидроксилированным атомом углерода и атомом углерода, к которому присоединена карбоксильная или другая группа.

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 нитратионов в очищенной сточной воде является одним из показателей полноты очистки:

Количество активного ила, необходимого для нитрификации, рассчитывают, исходя из содержания органических веществ, концентрации азота и аммиака в сточных водах, активности ила. Учитывают также способность роста и размножения микроорганизмов активного ила в условиях изменения нагрузки и окислительно-восстановительного потенциала ила.

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

Азотсодержащие соединения разлагаются с выделением азота в виде аммиака. Например, карбамид (мочевина) разлагается по уравнению

CO(NH₂) ₂+2H₂O --> (NH₄) ₂CO₃ - 2NH₃+CO₂+H₂O.

Разложение органических соединений может происходить через образование аминокислот, которые далее выделяют аммиак при протекании различных процессов.

Окисление серосодержащих веществ. Серу, сероводород,, тиосульфаты, политионаты и другие серосодержащие соединения серные бактерии окисляют до серной кислоты и сульфатов. Наличие в сточной воде азота, фосфора, калия и небольших количеств железа, магния, меди, цинка, бора, марганца и других веществ в некоторых случаях сильно интенсифицирует развитие серных и тионовых бактерий. Тионовые бактерии разлагают сероводород, серу, тиосульфат и др. Конечный продукт окисления -- серная кислота или сульфаты.

Процесс окисления сернистых соединений тионовыми бактериями может быть приведены следующими схемами:

HS^-> S > S₂O₃^2-> S₄O₆^2-> SO₄^2- или

HS^-> S₂O₂^2- > S₂O₃^2- > S₂O₅^2- > S₂O₇^2- > SO₄^2-

Установлено, что окисление сульфида кальция идет быстрее, чем сульфида натрия.

При окислении сероводорода сначала образуется сера, которая накапливается в клетках в виде запасного вещества:

2H₂S+O₂ --- 2H₂O+2S

Затем при недостатке H₂S идет реакция

2S+3O₂+2H₂O > H₂SO₄

Восстановление сульфатов - основной путь образования сероводорода в природе. Восстанавливаются и органические соединения:

4CH₃COCOOH+H₂SO4 > 4CH₂COOH+4CO₂+H₂S.

При окислении тиоцианатов (роданидов) вначале образуются сульфиды и цианаты. Цианаты далее гидролизуются до СО₂ и NH₃, а сульфиды окисляются до сульфатов:

CHNS + H₂O> HONC+H₂S

HONC+ H₂O> CO₂+NH₃,

CHNS+2H₂O > H₂S+CO₂+NH₃.

Окисление железа и марганца. Железобактерии получают энергию в результате окисления солей двухвалентного железа до соединения, трехвалентного железа:

4FeCO₃+CO₂+6H₂O --» 4Fe(OH) ₃ + 4CO₂

Имеются микроорганизмы, которые восстанавливают Fe³⁺ до Fe²⁺:

2FeS₂ + 7O₂ + H₂O > 2FeSO₄+2H₂SO₄,

4FeSO₄+O₂+2H₂SO4 > 2Fe₂(SO₄) ₃+2H₂O,

Fe₂(SO₄)₃+6H₂O > 2Fe(OH)₃+3H₂SO₄.

Двухвалентный марганец окисляется в четырехвалентный:

Mn²⁺ + 1/2O₂ + 2HO^- > MnO₂ + H₂O

Соли тяжелых металлов губительно влияют на бактерии, но есть такие, которые отличаются устойчивостью и адаптируются.

1.4 Путь реализации биологической очистки сточных вод

1.4.1 Аэробные процессы очистки сточных вод

С точки зрения экологической биотехнологии наиболее важны аэробные процессы, используемые для очистки и стабилизации сточных вод. Для этой цели существует много различных конструкций реакторов, но в общем они разделяются на два основных типа: гомогенные реакторы и реакторы, в которых неподвижная биопленка нанесена на инертный субстрат (биофильтры). Некоторые из этих реакторов могут быть взаимозаменяемы, в то время как другие пригодны только в специальных случаях. Однако все эти различные реакторы должны работать в условиях, когда гидравлическая нагрузка и нагрузка по субстрату непрерывно меняются как в течение суток, так и изо дня в день.

Гомогенные реакторы.

Процесс очистки сточных вод активным илом представляет собой наиболее обычный вариант процессов такого типа. В случае бытовых сточных вод исходное сырье, как правило, представляет собой стоки, отфильтрованные от крупных частиц и песка и подвергнутые отстаиванию, при котором удаляется около 60 % взвешенных частиц (вместе с ~30 % органического вещества). В Великобритании отстоенные сточные воды содержат обычно 150--200 мг/л взвешенных твердых частиц, 150--200 мг/л органического вещества, определяемого как биохимическая потребность в кислороде (ВПК), и 20--40 мг/л аммонийного азота. Собственно процесс очистки состоит из двух стадий: взаимодействия отстоявшихся стоков с воздухом и частицами активного ила в аэротенке в течение определенного времени, которое может колебаться от 4 до 24 ч и более в зависимости от вида сточных вод, требуемой глубины очистки и типа процесса, и отделения очищенной жидкости от частиц активного ила в отстойнике. Из отстойника удаляют большую часть свободной от твердых частиц надиловой жидкости, а активный ил возвращают в аэротенк. Таким образом, весь процесс может быть представлен как непрерывная ферментация с подачей твердого сырья. Частицы активного ила, часто обозначаемые как взвешенные частицы иловой смеси (ВЧИС), представляют собой флокулированную смесь бактерий и простейших.

Рис.1.1. Схема станции аэрации.

В активном иле идентифицированы бактерии множества различных видов, но, как правило, их определение до вида не представляет большого интереса. Следует выделять только три основные группы: углеродокисляющие флокулообразующие бактерии, углеродокисляющие нитчатые бактерии, бактерии-нитрификаторы. Флокулообразователи необходимы не только для деградации БПК, но и для образования стабильных флокул, которые способны быстро осаждаться с образованием плотного ила в отстойнике. Нитрификаторы (Nitrosomonas и Nitrobacter) превращают аммонийный азот в нитраты:

Эти виды бактерий необходимы, если процесс направлен на получение выходных стоков с низкой концентрацией аммонийного азота. Нитчатые бактерии представляют собой до некоторой степени аномалию. С одной стороны, известно, что они образуют скелет, вокруг которого формируются флокула, с другой - являются источником двух специфических проблем: плохого осаждения и образования устойчивой пены. Поэтому необходимо уметь определять не только видовой состав нитчатых бактерий, но и их относительное содержание.

Простейшие потребляют бактерий и обеспечивают низкую мутность выходных стоков. Всего было идентифицировано около 200 видов простейших, но именно инфузории, и в частности кругоресничные (прикрепленные к субстрату) инфузории, такие как сувойки (Vorticella) и Opercularia, имеют наибольшее значение. Детальная оценка роли простейших и различных видов приведена в работах Курдса и Кокберна.

Применительно к илу термин «активный» значит, что биомасса:

- представляет собой микрофлору, содержащую все ферментные системы, необходимые для деградации загрязнений,которые следует удалить;

- имеет поверхность с сильной адсорбционной способностью;

- способна образовывать стабильные флокулы, которые легко осаждаются при отстаивании.

В зависимости от степени смешения поступающей сточной жидкости с жидкостью, находящейся в очистном сооружении, различают три основных типа аэротенков: 1) аэротенк, в котором поступающая сточная жидкость не смешивается с жидкостью, находящейся в нем; 2) аэротенк со ступенчатым впуском сточных вод, при котором поступающая жидкость смешивается с частью жидкости, находящейся в нем; 3) аэротенки-смесители, в которых поступающая сточная жидкость смешивается со всем объемом жидкости, находящейся в аэротенке.

а) Обычные аэротенки

Обычные аэротенки представляют собой открытые проточные бассейны преимущественно прямоугольной формы, оборудованные устройствами для обеспечения принудительной аэрации. Такие бассейны бывают двух-, трех- и четырехкоридорного типа. Глубина аэротенков не менее 3 м. Концентрация загрязнений в подавае¬мых сточных водах должна быть не более 1200 мг/л по БПК. В процес¬се очистки сточной жидкости в обычном аэротенке наблюдается резкая неравномерность потребления кислорода. В месте введения сточной жид¬кости в аэротенк расход кислорода в 3 раза больше, чем на выходе.

Рис 1.2 схема аэротенка с сосредоточенным поступлением сточной жидкости. 1. аэротенк, 4. вторичный отстойник, СВ сточная вода, ИС иловые смеси, ОВ очищенная вода, АИ активный ил, ИИ избыточный ил.

Количество кислорода, расходуемого на окисление органических веществ, не зависит от интенсивности аэрации. Оно пропорционально высоте аэрируемого слоя жидкости и дефициту кислорода. При наиболее благоприятных условиях (например, при подаче воздуха через пористые пластинки) эта величина достигает 8-10 %. Количество кислорода в смеси сточная вода-активный ил, согласно экспериментальным данным, должно поддерживаться на уровне 2 мг/л. Если содержание растворенного кислорода становится меньше 1,5 мг/л, процесс очистки нарушается. Содержанию растворенного кислорода в очищенной жидкости придается большое значение. Так, считается, что основная причина нарушения работы аэротенка заключается в недостатке кислорода в очищаемой жидкости.

б) Аэротенки со ступенчатым впуском сточной жидкости.

Аэротенки со ступенчатым впуском сточной жидкости рекомендуется применять для очистки сточной жидкости, в которой высока концентрация загрязняющих органических веществ и особенно значительно содержание быстроокисляющихся веществ; разбавлять их при этом следует очищенной сточной водой. Очищаемую сточную воду после отстаивания подают в нескольких местах по длине аэротенка. Жидкость в аэротенке имеет поступательное движение и активно перемешивается воздухом.

Рис.1.3. Схема аэротенка со ступенчатым впуском сточной жидкости 2. Регенератор, 1. аэротенк, 2. Аэротенк-смеситель 4. вторичный отстойник, СВ сточная вода, ИС иловые смеси, ОВ очищенная вода, АИ активный ил, ИИ избыточный ил.

Аэротенк-смеситель по сравнению с обычным аэротенком имеет ряд важных преимуществ: возможность очистки сточных вод с высокой концентрацией загрязнений; равномерная подача воздуха по всей площади, постоянство скорости процессов окисления органических веществ при постоянных концентрации активного ила и температуре. Равномерная подача воздуха, а следовательно, и кислорода, обеспечивает активное размножение микроорганизмов и, соответственно, улучшает очистку сточных вод. В настоящее время в России и за рубежом аэротенк-смеситель признан одним из наиболее совершенных сооружений этого типа.



Рис 1.4. схема аэротенка-смесителя.3. аэротенк-смесителя, 4. вторичный отстойник, СВ сточная вода, ИС иловые смеси, ОВ очищенная вода, АИ активный ил, ИИ избыточный ил.

Эта схема дает возможность поддерживать практически одинаковую, пониженную концентрацию загрязнений во всем объеме аэротенка. Поступающие сточные воды разбавляются содержимым аэротенка, что позволяет подавать в аэротенк сточные воды с высокой концентрацией загрязнений без предварительного разбавления. Возвратный активный ил регенерируется кислородом при прохождении первого аэротенка, в который он возвращается из вторичных отстойников. Поскольку окислительная и адсорбционная способность активного ила восстанавливается, длительного контакта его со сточной водой не требуется, и за короткое время (примерно 3ч) органические соединения разрушаются и удаляются из очищаемой жидкости. При очистке сточных вод по такой схеме в аэротенках не будут возникать анаэробные условия, так как потребление кислорода станет практически одинаковым во всем сооружении.

Реакторы с неподвижной биопленной.

Кроме аэротенков применяют очистные сооружения с фиксированной биомассой. В таких системах сточные воды контактируют с биомассой, закрепленной на поверхности носителя. Если сточная вода распределяется методом орошения по загрузке из дробленой породы, то такую установку обычно называют биофильтром. При орошении фиксированных сред бытовыми сточными водами на поверхности сред образуется биологическая пленка (биопленка). Она состоит главным образом из бактерий, простейших и грибов, питающихся содержащимися в сточных водах органическими веществами. По мере того как сточная вода проходит по поверхности биопленки, состоящей из микроорганизмов, утилизирующих органические и минеральные компоненты сточных вод в присутствии кислорода происходит биоутилизация с образованием углекислого газа.

Рис.1.5. Механизм массопередачи в реакторах с неподвижной биопленной

Количество кислорода, растворенного в жидкости, пополняется за счет абсорбции кислорода из воздуха, находящегося в полостях загрузки фильтра. Биологический слой, хотя и очень тонкий, является анаэробным в своей внутренний части. Поэтому хотя биологическое фильтрование и называют аэробным процессом, оно по существу представляет собой факультативный (те, необязательный) процесс, объединяющий деятельность как аэробных, так и анаэробных микроорганизмов. Микроорганизмы в верхних слоях загрузки быстро размножаются, питаясь поступающей в избытке пищей. По мере того как сточная вода стекает вниз, содержание органических веществ уменьшается до такой степени, что микроорганизмы в нижней зоне находятся в состоянии голодания. Избыток биомассы, вымываемой из фильтра, извлекается из воды во вторичном отстойнике. Продувка загрузки необходима, чтобы сохранить поры для прохождения сточной воды и воздуха. Перегрузка фильтра по органическим загрязнениям в сочетании с недостаточной гидравлической нагрузкой может привести к засорению пор в биопленке и, в итоге, к снижению эффективности очистки.

Биологический фильтр (биофильтр) состоит из корпуса, загрузочного материала, а также из водораспределительного, дренажного и воздухораспределительного устройств. Сточная жидкость обтекает поверхность загрузочного материала, покрытого биологической пленкой (биопленкой), которую образуют колонии аэробных микроорганизмов. Проходя через загрузочный материал, загрязненная вода оставляет на нем примеси, не осевшие в первичных отстойниках, а также коллоидные и растворенные органические вещества. Последние сорбируются биопленкой, покрывающей поверхность загрузочного материала. Микроорганизмы, образующие биопленку, используют органические вещества как источник питания и энергии. Таким образом, из сточной воды удаляются органические вещества и в то же время увеличивается масса активной биопленки и тела биофильтра. Омертвевшая и отработавшая биопленки смывается протекающей сточной водой и выносится из тела биофильтра.

Принципы классификации существующих видов биофильтров могут быть различными: по степени очистки, по способу подачи воздуха, по режиму работы (наличие или отсутствие рециркуляции), по технологической схеме (одно-, двух- или трехступенчатые) и т.д.

Рис 1.6. Биофильтры с блочной пластмассовой загрузкой: 1 - реактивный ороситель; 2 - пластмассовые блоки; 3 - вентиляционные окна: 4 - приямок для выпуска сточных вод.

Интенсификация очистных сооружений в аэробном режиме.

Повышением дозы активного ила в зоне аэрации с 1-2 до 25 г/л происходит пропорциональный рост окислительной мощности аэротенков с 0,5-1 до 12 кг БПК/м³сут. Однако с повышением концентрации активного ила в аэротенках увеличивается вынос его из вторичных отстойников, что связано с ухудшением гравитационного разделения иловых смесей по мере повышения их концентрации.

Нормальная работа аэротенков осуществляется при предельных концентрациях активного ила в иловой смеси, поступающей во вторичные отстойники. Эта предельная концентрация для различных очистных сооружений может быть разной и зависит от многих факторов. Увеличивая до возможного предела концентрацию активного ила в аэротенках, можно несколько повысить их производительность и улучшить качество очистки сточных вод. При этом нужно учитывать, что положительный эффект может быть достигнут только при полном обеспечении биохимического процесса кислородом.

Биохимическая очистка с использованием технического кислорода или обогащенного кислородом воздуха.

Другой путь интенсификации работы аэротенков - биологическая очистка с использованием технического кислорода или обогащенного кислородом воздух. Этот метод применяется в окситенках. Реальный путь дальнейшего совершенствования работы биофильтров - исследование процессов, происходящих в биопленке. Сейчас проводятся исследования диффузии кислорода в пленку, ее активной толщины (установлен максимум активной толщины - 70 мкм), условий изъятия элементов питания, биохимии процессов и т.п. Реакторы с прикрепленной биомассой привлекают все большее внимание специалистов и все чаще применяются на практике для очистки сточных вод.

Совершенствование конструкции очистных сооружений. Усилия следует направлять на разработку более совершенных массообменных процессов, повышение гидродинамических характеристик, поддержание постоянной и необходимой концентрации микроорганизмов в биореакторе и интенсификацию их жизнедеятельности. Чем более совершенна конструкция очистных сооружений, тем лучше необходимые технологические параметры очищенных вод, тем ближе они к необходимым санитарным нормам и требованиям.

Проведение процесса ферментации в присутствии плавающей насадки - эффективный путь интенсификации массообменных процессов в колонных биореакторах за счет дополнительной турбулизации среды и выравнивания профиля концентраций по сечению колонны. Были выполнены экспериментальные и теоретические исследования работы колонного биореактора с плавающей насадкой, показавшие его высокую эффективность при проведении различных процессов микробиологического синтеза. Достигнутая продуктивность в колонном секционированном биореакторе с плавающей насадкой составляет 4,5-5,2 кг/(м3ч) при выращивании дрожжей на Н-парафинах и 6,2-6,6 кг/(м ч) при использовании мелассы в качестве субстрата. Удельные энергозатраты на 1 кг биомассы составляют соответственно 2,2-2,3 и 1,0-1,1 кВт-ч на 1 кг биомассы. Промышленный колонный биореактор такого принципа действия объемом

900 м3 обеспечит получение 50 т биомассы дрожжей из Н-парафинов в сутки.

Новые типы биореакторов, позволяющие интенсифицировать процесс очистки:

- биореакторы с циклическим вводом энергии;

- биореакторы с псевдоожиженным слоем насадки;

- биореакторы с полупроницаемой или пористой перегородкой;

- биопленочные биореакторы и реакторы для иммобилизованных клеток;

- биореакторы с использованием повышенного парциального давления

кислорода;

- биореакторы с электромагнитной или электрической обработкой среды;

- биореакторы с устройством для концентрирования и возврата микробных клеток.

1.4.2 Анаэробные очистки сточных вод

В анаэробных процессах очистки сточных вод микроорганизмы не имеет доступа ни к свободному растворенному кислороду, ни другим предпочтительным в энергическом соотношении акцепторам электронов, таким как нитрат ион. При очистке сточных вод наиболее широко применяемым анаэробным процессом является сбраживание ила, однако самые совершенные аппараты уже используются для очистки сельскохозяйственных и промышленных стоков и разрабатываются для очистки бытовых стоков.

При выборе между аэробными и анаэробными процессами обычно склоняются в сторону первых, так как эти системы признаны более надежными, стабильными и лучше изученными. Однако анаэробные процессы имеют несколько несомненных преимуществ . Во-первых, в анаэробных процессах образуется меньше ила, чем в аэробных. Стоимость переработки ила может быть весьма большой из-за его высокой влажности (90--99,7 %). В аэробных процессах образуется от 1 до 1,5 кг биомассы (ила), в то время как в анаэробных -- только 0,1--0,2 кг на каждый удаленный килограмм ВПК. Во-вторых, в анаэробных процессах образуется метан, который может использоваться как горючее. И, в-третьих, даже без учета использования метана в качестве источника энергии потребность в энергии на аэрацию в аэробных процессах превышает потребность в энергии на перемешивание при анаэробных процессах.

Главный недостаток анаэробных систем -- меньшая скорость реакции по сравнению с аэробными процессами, поэтому требуются установки больших размеров. К тому же сказывается недостаток фундаментальных научных знаний об этих процессах, а также опыта и данных по их крупномасштабной эксплуатации. Следовательно, развитие в области анаэробной очистки сточных вод должно идти в направлении разработки систем с большей биологической активностью, проектирования более компактных аппаратов, а также изучения кинетики, микробиологического и биохимического механизмов этих процессов.

В основном анаэробные процессы очистки ситочных вод проводят в септиктенки и метантенки. Септиктенки представляли собой отстойники, в которых осевший ил подвергался анаэробной деградации. Качество отделения твердой фракции и сбраживания ила было улучшено с помощью перегородок, регулирующих направление потока внутри отстойников Тревиса и Имхоффа. Впоследствии два этих процесса были разделены и размещены в отдельных отстойниках. Анаэробное сбраживание ила используется для улучшения качества удаляемого ила. уменьшения его массы и количества патогенной микрофлоры в нем. Септиктенки эксплуатируются обычно при температуре около 35 °С и с большим временем пребывания (больше 20 сут), при этом не делается попыток создать механизм, удерживающий биомассу на время большее, чем время пребывания жидкости. Аналогичный подход, который может быть использован для удаления растворимых и коллоидных субстратов, основан на применении аппаратов с мешалкой; однако для того, чтобы уменьшить размеры аппарата, дополнительно оптимизируют параметры среды в нем и его эксплуатационные характеристики (рН, температура, концентрация питательных веществ)

Развитие быстрых анаэробных процессов требует не только оптимизации условий анаэробной биодеградации, но и поддержания высокой концентрации активной биомассы в аппарате. Для лучшего удерживания биомассы используется два подхода.

a) Обеспечиваются условия для рециркуляции ила или реактор проектируется так, чтобы ил удалялся с меньшей скоростью, чем жидкость. Анаэробный контактный процесс включает отдельный отстойник-осветлитель и систему рециркуляции осевшего ила; это тот же принцип, который используют в станциях аэрации (аэробный процесс). Сточные воды из отстойника, в котором образуется плотный зернистый ил, удаляются со скоростью, которая не вызывает уноса иловых частиц.

б) Обеспечивается твердый носитель, на котором может расти анаэробная биомасса и, следовательно, удерживаться в реакторе. Степень дисперсности насадки изучалась для систем, как с восходящим, так и с нисходящим током жидкости. Для систем с восходящим током скорость потока через реактор часто определяет тип процесса; например, использование в качестве насадки песка при низких скоростях потока обеспечивает работу аппарата в режиме анаэробного фильтра, в то время как большие скорости потока приводят к работе в режиме псевдоожиженного слоя.

Промышленные аппараты для сбраживания.

Септиктенки

Для септиктенков характерно большое время пребывания (;>20 ч) сточных вод. Твердые частицы остаются на дне тенка, где органический субстрат подвергается анаэробной биодеградации.

Септиктенк представляет собой реактор без мешалки, который часто работает при температуре ниже 25°С без какого-либо перемешивания для повышения микробной активности. Среднее время пребывания клеток определяется по частоте обезиливания. Таким образом, принимая во внимание, что тенк освобождается от ила раз в год и примерно одна шестая часть ила оставляется для поддержания работы тенка, можно считать, что биомасса остается в системе в течение приблизительно 50 сут. Если такого времени пребывания достаточно для поддержания метаногенной активности при высоких температурах (35 °С), то при температуре окружающей среды и в отсутствие перемешивания метаногенез протекает слабо. Аналогичные процессы происходят в отстойниках Тревиса и Имхоффа, за исключением тех отдельных тенков или камер, которые спе¬циально используются для накопления ила. Они обеспечивают более эффективное отделение твердых частиц за счет отстаивания.