Биохимическая очистка сточных вод (Лекция)

 

ПЛАН ЛЕКЦИИ

1. Промышленные сточные воды

2. Ливневые сточные воды

3. Хозяйственно-бытовые сточные воды

4. Аэробная биологическая очистка сточных вод

5. Анаэробная биологическая очистка сточных вод

 

Сточные воды (СВ) представляют собой сложные гетерогенные системы загрязняющих веществ, которые могут находиться в растворенном, коллоидном и грубодисперсном (оседающем под действием силы тяжести) состояниях. СВ условно подразделяются на хозяйственно-бытовые, промышленные и ливневые (дождевые), отличающихся друг от друга происхождением, составом и биологической активностью.

На рисунке далее приведена принципиальная схема очистки городских сточных вод, которая поясняет происхождение каждой из категорий СВ и помогает осознать роль и место биохимических процессов очистки в ней.

                                              

Рис. Принципиальная схема очистки городских сточных вод:

Л – локальные очистные сооружения; ЛС – городские сооружения для очистки ливневых стоков; 

1 - сточные воды промышленного предприятия; 2 – очищенные сточные воды для повторного использования; 3 – сточные воды промышленного предприятия после локальной очистки; 4 – хозяйственно-бытовые сточные воды; 5 – сточные воды промышленного предприятия после локальной очистки с биологической доочисткой;

6 – ливневые сточные воды.

 

1. Промышленные сточные воды

Сточные воды любого промышленного предприятия (потоки 1 на рис. 2.1) содержат специфические загрязнения, которые должны удаляться (нейтрализоваться) до смешения со стоками другого производства или населенного пункта системами обязательной локальной очистки.

Для очистки промышленных СВ используются механические, физико-химические, химические биохимические и термические методы.

В основе биохимических методов очистки сточных вод лежит способность микроорганизмов разрушать органические и некоторые неорганические соединения (сульфиды, серу, соли аммония и др.), превращая их в безвредные продукты окисления: воду, двуокись углерода, нитрат- и сульфат- ионы и др. Очищенные биохимическим способом сточные воды отвечают санитарно-гигиеническим требованиям и рыбохозяйственным нормативам, и их можно пускать в водоемы (потоки 5), а также использовать в оборотном водоснабжении (потоки 2). Целесообразна биохимическая очистка производственных СВ совместно с хозяйственно бытовыми водами, так как последние приносят азотистые вещества, необходимые для питания и размножения микроорганизмов (потоки 3).

Биохимическая очистка является завершающей стадией очистки сточных вод химических и нефтехимических предприятий.

Микроорганизмы – деструкторы нефти известны давно и выделены из различных сред: пресных и морских вод, донных загрязнений, пластовых вод нефтяных месторождений, загрязненных нефтью почв и других. При благоприятных условиях среды (оптимальная температура, соленость, рН, достаточная степень аэрации, обеспеченность элементами минерального питания) удачно подобранная культура или смесь штаммов способны за короткое время практически полностью обезвредить десятки тонн нефтяных углеводородов (в качестве источника углерода и энергии), трансформировав их, в частности, в органическое вещество собственной биомассы, углекислый газ и безвредные для окружающей среды продукты.

После максимального извлечения полезных компонентов из нефтесодержащих отходов, оставшийся донный шлам и загрязненные участки грунта должны подвергаться обезвреживанию, завершающей стадией которого является биологическая обработка, позволяющая снизить содержание нефти до фоновых значений. В США метод биологической обработки нефтесодержащих осадков (ландфарминг) применяется уже с пятидесятых годов.

Недостатком биохимической очистки является малая скорость окислительных процессов, вследствие чего необходимы очистные сооружения больших объемов.

 

2. Ливневые сточные воды

Ливневые (дождевые) сточные воды, так же как и промышленные СВ, характеризуются большим количеством примесей. Качество и состав поверхностного стока зависит от множества факторов, в том числе,  общей санитарной обстановки территории населенных мест, видов и характеристики промышленных предприятий, режима таяния снега и т.д.. В связи с этим невозможно привести усредненные показатели качества поверхностного стока в целом. Как правило, ливневые сточные воды попадают на общегородские очистные сооружения вместе с городскими водами.

 

3. Хозяйственно-бытовые сточные воды

Хозяйственно-бытовые СВ образуются в результате практической деятельности и жизнедеятельности людей и характеризуются присутствием загрязнителей минерального и органического происхождения. В настоящее время бытовые сточные воды в чистом виде практически не встречаются, за исключением небольших населенных пунктов или отдельных объектов (санатории, дома отдыха и т.д.).

В городских сточных водах (смеси бытовых и промышленных)  содержатся минеральные (глина, песок, окалина, сажа, сульфаты, хлориды, соли тяжелых металлов и т.д.) и органические (белковые вещества, углеводы, жиры, масла, нефтепродукты, синтетические ПАВ и т.д.) загрязнения. Большая часть органических загрязнений городских сточных вод находится в грубодисперсном (15-20 %) и коллоидном (50-60 %) состоянии.

Хозяйственно-бытовых и промышленных сточных вод района (города), главенствующая роль в которых принадлежит сооружениям биологической очистки. В результате процессов биологической очистки СВ может быть очищена от многих органических и некоторых неорганических примесей. Процесс очистки осуществляет сложное сообщество микроорганизмов: бактерий, простейших, ряда высших организмов. Загрязняющие вещества сточных вод являются для них источником питания, при использовании которого они получают все необходимое им для жизни – энергию и материал для конструктивного обмена. Изымая из СВ питательные вещества (загрязнения) , микроорганизмы очищают от них сточную воду и одновременно вносят в нее новые вещества – продукты обмена, выделяемые во внешнюю среду.

Для очистки сточных вод используются два типа биологических процессов:

1) аэробные, в которых в присутствии кислорода происходит окисление содержащегося в органическом загрязняющем веществе углерода до СО2 и Н2О;

2) анаэробные, к которых микроорганизмы не имеют доступа к кислороду. В первом случае углерод органических соединений является конструктивным и энергетическим субстратом, а акцептором электронов служит кислород. Во втором случае микроорганизмы могут использовать углерод, входящий в состав органических молекул, не только в качестве конструктивного и энергетического  субстрата, но и в качестве акцептора электронов

В настоящее время чаще используют аэробные процессы, так как они признаны более надежными, стабильными и более изучены. Однако анаэробные процессы имеют ряд преимуществ:

          образуют в 10 раз меньше ила, чем аэробные процессы, а стоимость переработки ила весьма велика из-за его высокой влажности (90-99,7%);

          образуют метан, который можно использовать в качестве источника энергии;

          даже если не учитывать энергию от получаемого метана, то все равно затраты энергии, необходимые на аэрацию в аэробных процессах, значительно превышают затраты энергии на перемешивание в анаэробных процессах.

Анаэробные процессы в основном используются для сбраживания избыточного ила, образующегося при аэробной очистке. Главным недостатком анаэробных процессов является их меньшая скорость по сравнению с аэробными, что требует установок больших размеров.

 

4. Аэробная биологическая очистка сточных вод

Аэробный процесс очистки сточных вод происходит в присутствии растворенного в оде кислорода и представляет собой модификацию протекающего в природе естественного процесса самоочищения водоемов.

В процессах аэробной биологической очистки СВ используются микроорганизмы так называемого активного ила, в состав которого входят:

-        углеродоокисляющие флокулообразующие бактерии;

-        углеродоокисляющие нитчатые бактерии;

Органический субстрат + О2  СО2 + Н20 +NH3

-        бактерии нитрификаторы:

                                (аммонийный азот)                         (нитраты)

-        простейшие (в основном инфузории), потребляющие бактерии, обеспечивая тем самым низкую мутность выходных стоков.

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

1) содержит все ферментные системы, необходимые для деградации загрязняющих веществ;

2) имеет поверхность с сильной адсорбционной способностью;

3) способна образовывать стабильные флокулы (хлопьевидные скопления), которые осаждаются при отстаивании.

Последнее очень важно, так как структура и биологические свойства хлопьев ила определяют эффективность и качество биологической очистки. При нормально идущих процессах очистки масса масса активного ила представлена хлопьями с плотностью в среднем 1,1-1,37 г/см3 и размером от 53 до 212 мкм. Основная масса бактериальных клеток расположена внутри. Бактерии активного ила синтезируют и выделяют в среду внеклеточный биополимер – полисахаридный гель. Именно наличие геля обуславливает агрегацию микроорганизмов и образование хлопьевидных скоплений – флокул. Активный ил только в флокулированном состоянии может обеспечивать высокие скорости окисления загрязняющих веществ, и, по-существу, качество очищенной воды определяется его способностью к флокуляции.

Аэробное окисление характеризуется БПК (биологическим потреблением кислорода), т.е. расходом О2 на окисление органических веществ до СО2 и Н2О. Характеристикой глубины разложения примесей в водостоке является биохимический показатель (БХП), равный отношению БПК/ХПК (ХПК – химическое потребление кислорода, т.е. количество кислорода, необходимое для химического окисления содержащихся в СВ восстановителей, органических и неорганических.

Сырье для биологической очистки представляет собой стоки, отфильтрованные от крупных частиц и песка и подвергнутые отстаиванию, при котором удаляется ~ 60 % взвешенных частиц (вместе с ~ 30 % органического вещества).

Процесс очистки состоит из двух стадий:

1.      Взаимодействие стоков с воздухом и частицами активного ила (ВЧИС) в аэротенке. Время пребывание (t) составляет 4-24 часа и более в зависимости от вида СВ и требуемой степени очистки.

2.      Отделение очищенной жидкости от ВЧИС в отстойнике.

Рис. Принципиальная схема биологической очистки СВ

 

К основным факторам, влияющим на биологическую очистку, относятся: температура, рН, концентрация кислорода, перемешивание, токсичные примеси, доза и возраст активного ила. Токсичными примесями (выше пределов ПДК) являются антисептики, в частности фенол и формальдегид. Особенно токсичны также соли тяжелых металлов, которые по степени токсичности располагаются в ряд:

 

Sb>Ag>Cu>Hg>Co>Ni>Pb>Cr>Cd>Zn>Fe.

 

5. Анаэробная биологическая очистка сточных вод

Анаэробные процессы появились в Европе примерно 100 лет назад. Аппараты, в которых проводятся анаэробные процессы, называются септенками в иностранной литературе, или метантенками в отечественной. Как уже отмечалось, анаэробные процессы в основном используются для сбраживания избыточного ила, образующегося при аэробной очистке, уменьшения его массы и количества патогенных микроорганизмов (температура ~ 35 0С, t> 20 суток).

Для анаэробной очистки сточных вод обычно используются системы, работающие в мезофильных условиях (температура ~ 34-38 0С). Очистка в анаэробных условиях (без доступа воздуха) происходит под действием анаэробных микроорганизмов, результате чего количество органических загрязнителей, содержащихся в сточной воде, уменьшается за счет превращения их в газы (метан, двуокись углерода) и растворенные соли, а также за счет роста биомассы анаэробных бактерий. Процесс проходит в 2 стадии, как показано на рисунке ниже.

Рис. Основные стадии анаэробной очистки СВ:

стадия 1 – кислотоообразующие бактерии; стадия 2 – метанообразующие бактерии

 

На первой стадии обычно образуются летучие жирные кислоты (СН3СООН, НСООН и др.) и спирты. Процесс в целом зависит от поддержания окружающей среды, благоприятной для обеих групп микроорганизмов (кислотоообразующих и метанообразующих). Следовательно равновесие должно быть таким, чтобы кислоты удалялись бы с той же скоростью, с которой они образуются.

На рисунке далее приведена типичная схема сбраживателя с мешалкой.

Рис. Типичная схема сбраживателя с мешалкой

 

Стоки, очищаемые биологическими методами, должны отвечать следующим требованиям:

1)      Органические вещества, входящие в стоки, должны быть способны к биохимическому окислению.

2)      Их концентрация, выраженная через БПК, не должна превышать 500 мг/дм3 при очистке на биофильтрах и 1000 мг/ дм3 – при очистке в аэротенках-смесителях.

3)      Концентрации ядовитых органических и неорганических (соли меди, свинца, хрома, ртути) веществ не должна превышать пределов, исключающих жизнедеятельность бактерий.

4)      Количество механических примесей не должно превышать 150 мг/ дм3.

5)      Водородный потенциал среды должен быть 6,5-8,5.

6)      Сточные воды должны содержать биогенные элементы (азот, фосфор и калий).

7)      Общее количество растворенных солей должно быть не больше 10 г/ дм3.

8)      Стоки не должны содержать плавающих масел и смол.

9)      Температура сточных вод – от 6-35 до 50-60 0С.

На основе биохимических методов достигается достаточно глубокая степень очистки, а сами методы являются наиболее экономичным. Вместе с тем, как указывалось выше, биохимические методы имеют и определенные недостатки. Прежде всего, биологические очистные сооружения занимают очень большие территории. Типовая станция биологической очистки производительностью 10 тыс. м3/сут, например, занимает 75000 м2. Кроме того, большой  прирост биомассы создает дополнительные проблемы, связанные с утилизацией осадка. Процесс очистки малоуправляем, а сами биологические очистные сооружения не могут работать с перегрузкой. Попадание высокотоксичных соединений резко уменьшает эффективность очистки и может привести к гибели микрофлоры, что равносильно прекращению процесса. В связи с этим промышленные сточные воды перед сливом в общегородскую канализацию подвергаются локальной очистке с помощью различных физико-химических методов. Такая очистка не только стабилизирует работу аэротенков, но и значительно уменьшает их объем.

 


Скидка 25% на тарифы конструктора документов FreshDoc
Скидка 25% на тарифы конструктора документов FreshDoc


iTunes Gift Card (Россия) 600 рублей
iTunes Gift Card (Россия) 600 рублей


Промокод (купон) для AdWords на 60$. КАЗАХСТАН
Промокод (купон) для AdWords на 60$. КАЗАХСТАН