Биохимический показатель

Влияние различных факторов на скорость

Биохимического окисления

Скорость окисления зависит от концентрации органических ве­ществ, равномерности поступления сточной воды на очистку и от содержания в ней примесей. При заданной степени очистки основ­ными факторами, влияющими на скорость биохимических реакций, являются концентрация потока, содержание кислорода в сточной воде, температура и рН среды, содержание биогенных элементов, а также тяжелых металлов и минеральных солей.

Турбулизация сточных вод в очистных сооружениях способству­ет повышению скорости очистки. Турбулизация потока достигается интенсивным перемешиванием, при котором активный ил находится во взвешенном состоянии, что обес­печивает равномерное распределение его в сточной воде.

Важнейшим свойством активного ила является его способность к оседанию. Свойство оседания описывается величиной илового индекса, представляющего собой объем в мл, занимаемый 1 г ила в его естественном состоянии после 30 мин отстаивания. Плохая оседаемость ила ведет к повышенному выносу его с очищенной водой и ухудшению качества очистки. Доза активного илазависит от илового индекса.

Для очистки следует применять свежий активный ил, который хорошо оседает и более устойчив к колебаниям температу­ры и рН среды.

Установлено, что с повышением температуры сточной водыско­рость биохимической реакции возрастает. Однако на практике ее поддерживают в пределах 20-30 °С. Превышение указанной температу­ры может привести к гибели микроорганизмов. При более низких температурах снижается скорость очистки, замедляется процесс адап­тации микробов к новым видам загрязнений, ухудшаются процессы нитрификации, флокуляции и осаждения активного ила. Повыше­ние температуры в оптимальных пределах ускоряет процесс разло­жения органических веществ в 2-3 раза. С увеличением температу­ры сточной воды уменьшается растворимость кислорода, поэтому для поддержания необходимой концентрации его в воде требуется производить более интенсивную аэрацию.

Активный ил способен сорбировать соли тяжелых металлов. При этом снижается биохимическая активность ила и происходит вспухание его из-за интенсивного развития нитчатых форм бакте­рий.

Отрицательное влияние на скорость очистки может оказать и по­вышение содержания минеральных веществ, находящихся в сточной воде, выше допустимых концентраций.

Перенос кислорода из газовой фазы к клеткам микроорганизмов происходит в два этапа. На первом этапе происходит перенос кисло­рода из воздушных пузырьков в основную массу жидкости, на вто­ром – перенос абсорбированного кислорода из основной массы жид­кости к клеткам микроорганизмов, главным образом, под действием турбулентных пульсаций.

Количество абсорбируемого кислорода может быть вычислено по уравнению массоотдачи:

где М – количество абсорбированного кислорода, кг/с; β V - объем­ный коэффициент массоотдачи, с -1 ; V – объем сточной воды в со­оружении, м 3 ;

с р, с – равновесная концентрация и концентрация кис­лорода в основной массе жидкости, кг/м 3 .

Исходя из уравнения массоотдачи, количество абсорбируемого кислорода может быть увеличено за счет роста коэффициента массоотдачи или движущей силы. Изменения движущей силы воз­можны в результате увеличения содержания кислорода в воздухе, уменьшения рабочей концентрации или повышения давления про­цесса абсорбции. Однако все эти пути или экономически невыгод­ны, или не приводят к значительному росту интенсивности процесса.

Наиболее надежный способ увеличения подачи кислорода в сточ­ную воду – это повышение объемного коэффициента массоотдачи.

Для успешного протекания реакций биохимического окисления необходимо присутствие в сточных водах соединений биогенных эле­ментов и микроэлементов: N, S, Р, К, Мg, Са, Nа, С1, Fе, Мn, Мо, Ni, Со, Zn, Сu и др. Среди этих элементов основными являются N, Р и К, которые при биохимической очистке должны присутствовать в необходимых количествах. Содержание остальных элементов не нор­мируется, так как их в сточных водах достаточно.

Недостаток азота тормозит окисление органических загрязните­лей и приводит к образованию трудно оседающего ила. Недостаток фосфора приводит к развитию нитчатых бактерий, что является ос­новной причиной вспуханий активного ила, плохого оседания и вы­носа его из очистных сооружений, замедления роста ила и снижения интенсивности окисления. Биогенные элементы лучше всего усваиваются в форме соединений, в которой они находятся в микробных клетках: азот – в форме аммонийной группы NН 4 + , а фосфор – в виде солей фосфорных кислот.

При нехватке азота, фосфора и калия в сточную воду вводят раз­личные азотные, фосфорные и калийные удобрения. Соответствую­щие соединения азота, фосфора и калия содержатся в бытовых сточ­ных водах, поэтому при их совместной очистке с промышленными стоками добавлять биогенные элементы не надо.

Конструкции аэротенков

В аэротенке-отстойнике (рис. 17) зона аэрации отделена от зоны отстаивания. Сточная вода подается в центре, а отводится по лотку 1. В зоне отстаивания образуется слой взвешенного активного ила, через который фильтруется сточная вода. Избыточный активный ил отводится из зоны взвешенного слоя по трубам, а возвратный ил поступает в зону аэрации.

Рис. 17. Аэротенк-отстойник: 1 – лоток; 2 –

Иначе устроен аэротенк-осветлитель (рис. 18). Сточная вода поступает в зону аэрации, где смешивается с активным илом и аэрируется. Затем смесь через окна 1 направляется в зону осветления и зону дегазации. В зоне осветления возникает взвешенный слой активного ила, через который фильтруется иловая смесь. Очищенная вода поступает в лотки и удаляется из аэротенка.

Рис. 18. Аэротенк-осветлитель: 1 –

Для интенсификации процесса биохимической очистки сточные воды перед аэротенком предлагается обрабатывать окислителями (озоном) с целью снижения ХПК. Для этой цели разработан процесс очистки сточных вод в глубоких шахтах. В них устанавливают вертикальные трубы, доходящие почти до дна шахты. Сточная вода подается по трубам одновременно с воздухом. Под действием высокого гидростатического давления кислород воздуха почти полностью растворяется в сточной воде. При этом степень его использования микроорганизмами увеличивается. Иловая смесь по подъемной трубе поднимается вверх, и после дегазации поступает в отстойник. Очистная установка занимает небольшую площадь. При ее работе отсутствует выделение запахов и достигается высокая степень очистки.

Обработка осадков

В процессе биохимической очистки в первичных и вторичных отстойниках образуются большие массы осадков, которые необходимо утилизировать или обрабатывать с целью уменьшения загрязнения биосферы. Осадки сточных вод могут быть в основном минерального состава, в основном органического состава и смешанные. Они характеризуются содержанием сухого вещества, содержанием беззольного вещества, элементным составом, гранулометрическим составом.

Во вторичных отстойниках в осадке находится в основном избыточный активный ил, объем которого в 1,5-2 раза больше, чем объем осадка из первичного отстойника. В осадках содержится свободная и связанная вода, свободная вода (60-65 %) может быть легко удалена из осадка, связанная вода (30-35 %) – коллоидно-связанная и гигроскопическая, удаление которой затруднено.

Для обработки и обезвреживания осадков используются различные технологические процессы, представленные на рис. 20.

Уплотнение активного ила связано с удалением свободной влаги и является необходимой стадией всех технологических схем обработки осадков. При уплотнении удаляется в среднем 60 % влаги и масса осадка сокращается в 2,5 раза. Для уплотнения используют гравитационный, флотационный, центробежный и вибрационный методы.

Процесс стабилизации осадков проводят для разрушения биологически разлагаемой части органического вещества на диоксид углерода, метан и воду. Стабилизацию ведут при полощи микроорганизмов в анаэробных и аэробных условиях.

Рис. 20. Схемы процессов обработки осадка

Кондиционирование осадков проводят для снижения удельного сопротивления и улучшения водоотдачи вследствие изменения форм связи воды. Кондиционирование проводят реагентными и безреагентными способами. При реагентной обработке осадка происходит коагуляция с разрывом сольвентных оболочек и улучшаются водоотдающие свойства.

К безреагентным методам обработки относятся тепловая обработка, замораживание с последующим отстаиванием, жидкофазное окисление, электрокоагуляция и радиационное облучение.

Термическую обработку осадков проводят в случае их подготовки к рекуперации. Сушку осадков проводят в сушилках различной конструкции.

Биохимическая очистка сточных вод

Сточные воды, прошедшие физико-химическую очистку, содержат еще достаточно большое количество растворенных, а в ряде случаев сильно диспергированных органических загрязнений. Поэтому дальнейшую очистку таких вод целесообразно проводить биохимическим методом.

Биохимическая очистка возможна только для производственных сточных вод, загрязненных веществами, которые могут быть окислены микроорганизмами. Используются аэробные и анаэробные методы биохимической очист­ки сточных вод. При аэробной очистке микроорганизмы куль­тивируются в активном иле или биопленке. Анаэробные методы очистки протекают без доступа кислорода; их используют, главным об­разом, для обезвреживания осадков.

Среди бактерий в очистных сооружениях сосуществуют гетеротрофы и автотрофы, причем преимущественное развитие получает та или иная группа в зависимости от условий работы системы.

Эти две группы бактерий различаются по своему отношению к источнику углеродного питания. Гетеротрофы используют в качестве источника углерода готовые органические вещества и перерабатывают их для получения энергии и биосинтеза клетки. Автотрофные организмы потребляют для синтеза клетки неорганический углерод, а энергию получают либо за счет фотосинтеза, используя энергию света, либо за счет хемосинтеза путем окисления некоторых неорганических соединений, например, аммиака, нитритов, солей двухвалентного железа, сероводорода, элементарной серы и др.

Механизм биологического окисления в аэробных условиях гетеротрофными бактериями приводит к наращиванию новой биомассы и выделению CO 2 , N 2 , P:

органические вещества + O 2 + N 2 + P → микроорганизмы + СO 2 + H 2 O + биологически неокисляемые растворенные вещества

микроорганизмы + O 2 → CO 2 + H 2 O + N + P + биологически неразрушаемая часть клеточного вещества.

В очищенном стоке остаются биологически неокисляемые вещества, преимущественно в растворенном состоянии, т.к. коллоидные и нерастворенные вещества удаляются из воды методом сорбции.

Анаэробный процесс метановой ферментации происходит по следующей схеме:

органические вещества + H 2 O → CH 4 + CO 2 + C 5 H 7 NO 2 + NH 4 + + HCO 3 –

Анаэробный процесс денитрификации происходит в две стадии:

органическое вещество + NO 3 – → NO 2 – + CO 2 + H 2 O;

органическое вещество + NO 2 – → N 2 + CO 2 + H 2 O + OH – .

Перечисленные схемы процессов далеко не исчерпывают всех возможностей биоокисления, но именно они наиболее часто встречаются в практике очистки как городских, так и производственных сточных вод.

Скорость и полнота биохимических превращений в процессе очистки сточных вод определяются условиями биохимической очистки, создаваемыми в аэрационных сооружениях – аэротенках. Существенное влияние на эффективность окислительных процессов оказывают следующие факторы: централизация и децентрализация впуска очищаемых сточных вод и возвратного активного ила, тип аэратора, конструктивные особенности вторичных отстойников. Исследование кинетики окисления показало, что начальный этап процесса окисления с момента смешения сточных вод с активным илом в первые 20-40 мин аэрации характеризуется высокой степенью окислительной активности бактерий, которая затем падает по экспоненциальной зависимости.

Основными факторами, влияющими на интенсивность процесса, являются следующие:

· Оптимальный баланс источников углеродного и азотистого питания и обеспечивающий этот баланс технологический режим; наличие биогенных элементов;

· Исключительная приспособляемость микроорганизмов к изменяющимся условиям существования;

· Симбиотический характер существования микробных ассоциаций, что позволяет сформировать активный ил с усиленными физиологическими свойствами.

Для создания специфической микрофлоры необходимо подавать на очистные сооружения концентрированные сточные воды стабильного состава в течение длительного времени. Это способствует индуцированию ферментов, изменяет тип обмена веществ бактериальных клеток и закрепляет приобретенные признаки наследственно. В результате формируется активный ил с повышенными окислительными свойствами, что приводит к росту окислительной мощности сооружений биоочистки. Специфическая микрофлора активного ила способна нивелировать залповые выбросы сточных вод, характеризуемых высокими концентрациями загрязняющий веществ.

Биохимический показатель

Сточные воды, направляемые на биохи­мическую очистку, характеризуются величиной БПК и ХПК.

БПК - это биохимическая потребность в кислороде или количество кисло­рода, использованного при биохимических процессах окисления орга­нических веществ (не включая процессы нитрификации) за опреде­ленный промежуток времени (2, 5, 8, 10, 20 сут), в мг О 2 на 1 мг вещества. Например: БПК 5 - биохимическая потребность в кисло­роде за 5 сут. БПК п - полная биохимическая потребность в кисло­роде до начала процессов нитрификации. ХПК - химическая по­требность в кислороде, т.е. количество кислорода, эквивалентное количеству расходуемого окислителя, необходимого для окисления всех восстановителей, содержащихся в воде. ХПК также выражают в мг О 2 на 1 мг вещества.

Для неорганических веществ, которые практически не поддают­ся окислению, также устанавливают максимальные концентрации. Если такие концентрации превышены, воды нельзя подвергать био­химической очистке.

Биоразлагаемость сточных вод характеризуется через биохимический показатель, под которым понимают соотношение БПК/ХПК.

Биохимический показатель является параметром, необходимым для расчета и эксплуатации промышленных сооружений для очист­ки сточных вод. Его значения колеблются в широких пределах для различных групп сточных вод. Промышленные сточные воды имеют низкий биохимический показатель (не больше 0,3); бытовые сточные воды - свыше 0,5. По биохимическому показателю концентрации загрязнений и токсичности промышленные сточные воды делят на четыре группы.

Первая группа имеет биохимический показатель выше 0,2. К этой группе, например, относятся сточные воды пищевой промышленно­сти (дрожжевых, крахмальных, сахарных, пивоваренных заводов), прямой перегонки нефти, синтетических жирных кислот, белково-витаминных концентратов и др. Органические загрязнения этой груп­пы не токсичны для микробов.

Вторая группа имеет показатель в пределах 0,02-0,10. В эту груп­пу входят сточные воды коксования, азотнотуковых, коксохимичес­ких, газосланцевых, содовых заводов. Эти воды после механической очистки могут быть направлены на биохимическое окисление.

Третья группа имеет показатель 0,001-0,01. К ней относятся, на­пример, сточные воды процессов сульфирования. хлорирования, про­изводства масел и ПАВ, сернокислотных заводов, предприятий чер­ной металлургии, тяжелого машиностроения и др. Эти воды после механической и физико-химической локальной очистки могут быть направлены на биохимическое окисление.

Четвертая группа имеет показатель ниже 0,001. Сточные воды этой группы в основном содержат взвешенные частицы. К этим во­дам относятся стоки угле- и рудообогатительных фабрик и др. Для них используют механические методы очистки.

Сточные воды первой и второй групп относительно постоянны по виду и расходу загрязнений. После очистки они применимы в системах оборотного водоснабжения. Сточные воды третьей группы образуются периодически и отличаются переменной концентрацией загрязнений, устойчивых к биохимическому окислению. Они загряз­нены веществами, которые хорошо растворимы в воде. Эти воды не­пригодны для оборотного водоснабжения.

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.

Они применяются для очистки бытовых и производственных сточных вод от органических веществ, а также от сероводорода, сульфидов, аммиака, нитритов. Процесс очистки основан на способности микроорганизмов использовать эти вещества на обеспечение своей жизнедеятельности. Очистка осуществляется сообществом множества различных бактерий, простейших, а также грибов, водорослей, которые образуют биологически активный ил.

Известны аэробные и анаэробные методы биохимической очистки.

Аэробные методы основаны на использовании аэробных групп микроорганизмов, для жизнедеятельности которых необходим постоянный приток воздуха.

Анаэробные биохимические процессы протекают без доступа кислорода. Их используют для обработки осадков. Оптимальная температура очистки 20-40 °С.

Достоинства биохимической очистки: можно удалять из сточных вод широкий спектр органических и некоторые неорганические вещества, простота аппаратуры, низкие эксплуатационные затраты, возможна высокая степень очистки. Недостатки метода: высокие капитальные затраты (огромные сооружения), необходимость точного соблюдения технологического режима очистки, разбавления сточных вод из-за высокой концентрации примесей, возможно наличие примесей, отравляющих микроорганизмы.

Механизм процесса очистки микроорганизмами веществ из сточных вод условно делят на три стадии: массопередачу вещества из жидкости к поверхности клетки путем конвенции воды и диффузией примесей; диффузию вещества примеси через оболочку клетки микроорганизма вследствие градиента концентрации; процесс превращения вещества в клетке (метаболизм) с выделением энергии и синтезом нового клеточного вещества.

Скорость массопередачи определяется законами диффузии и гидродинамики. Вихревое движение потока разрушает хлопья активного ила на мелкие колонии микробов и приводит к быстрому обновлению поверхности их раздела со средой. Скорость биохимических превращений в клетке, их последовательность определяется ферментами. Синтез новых белковых веществ (анаболические превращения) протекает с затратой энергии Q, например:

Биохимическое аэробное окисление органического вещества клетки (катаболизм) или сточной воды сопровождается потреблением кислорода и выделением энергии Q:

Условия биохимической очистки. На эффективность биохимической очистки сточной воды оказывают влияние следующие факторы: равномерность поступления сточной воды, концентрация в ней примесей, наличие кислорода в воде, ее температура, рН, перемешивание воды, присутствие в воде примесей, токсичных для микроорганизмов, концентрация биомассы. Снабжение сооружений биохимической очистки кислородом воздуха должно быть непрерывным и в таком количестве, чтобы в очищенной воде содержание кислорода было не менее 2 мг/л. Оптимальная температура для аэробных процессов 20-30 °С, хотя отдельные бактерии выдерживают температуру от -8 до 85 °С. Оптимальная реакция среды — нейтральная (рН около 6,5). Количество взвешенных частиц для биологических фильтров должно быть не более 100 мг/л. Оптимальное количество микроорганизмов в виде активного ила 2-4 г/л. Наиболее эффективен молодой активный ил возраста 2-3 суток.

Регенерация активности ила: его аэрация в отсутствие питательных веществ.

Для жизнеобеспечения микроорганизмов, очищающих сточные воды, необходимо наличие в ней достаточного количества соединений углерода, азота, фосфора. Однако соединения ртути, свинца, сурьмы, серебра, хрома, кобальта являются клеточными ядами. Их концентрация должна быть ниже ПДК для микроорганизмов.

Технология биохимической очистки

Аэробную очистку проводят в естественных условиях и в искусственных сооружениях.

Естественные условия: поля орошения и фильтрации, биологические пруды.

Поля орошения — это сельскохозяйственные угодья, предназначенные для очистки сточных вод и одновременного выращивания растений. На полях фильтрации растения не выращивают. Обычно это резервные участки типа прудов для принятия сточных вод. На полях орошения очистка сточных вод основана на воздействии микрофлоры почвы, воздуха, солнца и жизнедеятельности растений. Солей в стоках должно быть меньше 4-6 г/л. Сточные воды подаются на поля орошения в летний период через 5 дней.

Биологические пруды — искусственные водоемы глубиной 0,5-1 м, хорошо прогреваемые солнцем и заселенные водными организмами. Они могут быть проточные (серийные или каскадные) и непроточные. Время пребывания воды в прудах с естественной аэрацией от 7 до 60 суток, с искусственной — 1-3 суток. В последних ступенях каскадных прудов разводят рыбу, что позволяет избежать образования ряски. В непроточных прудах сточная вода подается после ее отстаивания и разбавления. Продолжительность очистки — 20-30 суток.

Достоинства биологических прудов — невысокая стоимость строительства и эксплуатации. Недостатки: сезонность работы, большая площадь, низкая окислительная способность, трудность чистки.

Биохимическая очистка в биофильтрах

Б иофильтры это большие круглые или прямоугольные сооружения из железобетона или кирпича, загруженные фильтрующим материалом, на поверхности которого выращивается биопленка. Аэрация их может быть естественной и искусственной. По типу загрузки материала биофильтры делятся на две группы: с объемной (зернистой) и плоской загрузкой. гравий, щебень, галька, шлак, керамзит, кольца, кубы, шары. металлические, тканевые и пластмассовые сетки, решетки, гофрированные листы, пленки.

Биофильтры с объемной загрузкой могут быть трех типов: капельные, высоконагружаемые, башенные. Капельные биофильтры наиболее просты, загружаются мелким материалом высотой 1-2 м, имеют производительность до 1000 м 3 /сутки и обладают высокой степенью очистки. Высоконагружаемые биофильтры заполняют крупным материалом высотой 2-4 м. Высота загрузки башенных биофильтров — 8-16 м, производительность до 50 тыс. м 3 /сутки.

Применение находят также биофильтры с плоской загрузкой, обладающие более высокой окислительной способностью, погружные (дисковые) биофильтры и биотенк-биофильтры. В них в шахматном порядке по горизонтали и вертикали размещены лотки в виде блюдец, которые сверху заполняются сточной водой до их переполнения и перелива избытка воды. Снаружи лотков образуется активная биопленка. Она обеспечивает высокую эффективность очистки воды. Недостатки биофильтров: заиливание фильтров, снижение их окислительной способности, появление неприятных запахов.

Биохимическая очистка в аэротенках. Аэротенки — крупные 1 500-15 000 м 3 железобетонные сооружения глубиной 3-6 м со свободно плавающим в воде активным илом, бионаселение которого использует загрязнения сточных вод для своей жизнедеятельности. Объем сточных вод, очищаемых при использовании аэротенков, весьма большой: от нескольких сот до миллионов кубических метров в сутки.

Классификация аэротенков. Ее показатели:

конструкция: круглые, прямоугольные, шахтные, комбинированные, фильтротенки, флототенки;

режим сточных вод: проточные, полупроточные, капитальные, с переменным уровнем;

структура потока: аэротенки-вытеснители, аэротенкисмесители, аэротенки с рассредоточенной подачей сточной воды, окситенки (рис. 4.11);

аэрация: пневматическая, комбинированная гидродинамическая, пневмомеханическая;

способ регенерации активного ила: в отдельном аппарате, в совмещенном аппарате;

число ступеней: одно-, двух-, многоступенчатые;

высокая, обычная, низкая.

В аэротенках-вытеснителях (рис. 4.11а) нагрузка загрязнений на ил максимальна в начале и минимальна в конце процесса. Их длина достигает 50-150 м, объем от 1,5 до 30 тыс. м 3 .

Аэротенки-смесители (рис. 4.11 б) наиболее пригодны для очистки концентрированных производственных сточных вод (БПК п до 1 г/л) при значительных колебаниях их расхода и концентрации загрязнения. Их недостаток — высокая остаточная концентрация примесей в очищенной воде.

Рис. 4.11. Схемы аэротенка-вытеснителя (а), аэротенка-смесителя (б), аэротенка с рассредоточенной подачей сточной воды (в)

В аэротенках с равномерной подачей сточной воды нагрузка на ил по его длине равномерно уменьшается (рис. 4.11в). Они используются для очистки смесей промышленных и городских стоков.

В окситенках вместо воздуха применяется технический кислород. Это позволяет увеличить в 5-10 раз окислительную способность процесса, повысить дозы активного ила до 6-10 г/л.

Важный фактор биологического окисления примесей — кислород. При механической аэрации воду с илом перемешивают мешалками, турбинками, щетками и т. п. Пневматическую аэрацию в зависимости от размера пузырьков воздуха подразделяют на три вида: мелкие пузыри (1-4 мм) при подаче воздуха в аэротенк под давлением через керамические или пластинчатые диффузоры; средние пузыри (5-10 мм) — подача воздуха через перфорированные трубы, щелевые устройства; крупные пузыри (>10 мм) — подача воздуха через сопла, трубы.

Рис. 4. 12. Технологическая схема очистки сточных вод в азротенке с регенерацией ила: 1 — аэротенк; 2 — отстойник; 3 — насосная станция; 4 — регенератор ила

На рисунке 4.12 приведена технологическая схема аэротен ка с регенерацией ила. Сточная вода подается в аэротенк 1, где обрабатывается активным илом. Смесь воды с илом поступает в отстойник 2, из которого после отстоя через верхнюю часть выводится очищенная вода, а через донное отверстие — отстоянный ил. Из насосной станции 3 часть ила через его регенератор 4 возвращается в аэротенк, а избыточного часть ила отправляется на переработку в метантенк.

При высокой исходной концентрации органических примесей в воде (БПКn > 0,15 г/л) используют двухступенчатую очистку с окислением 50-70% примесей на первой ступени.

Биохимические (биологические) методы применяют для очистки хозяйственно-бытовых и промышленных сточных вод от многих растворенных органических и некоторых неорганических (сероводород, сульфиды, аммиак, нитриты) веществ. Процесс очистки основан на способности микроорганизмов использовать эти вещества для питания в процессе жизнедеятельности, так как органические вещества для микроорганизмов являются источником углерода.

Биохимическое окисление

Контактируя с органическими веществами, микроорганизмы частично разрушают их, превращая в воду диоксид углерода, нитрит· и сульфат-ионы и др. Другая часть вещества идет на образование биомассы. Разрушение органических веществ называют биохимическим окислением.

Биохимическое окисление осуществляется сообществом микроорганизмов (биоценозом), включающим множество различных бактерий, простейших и ряд более высокоорганизованных организмов-водорослей, грибов и т.д., связанных между собой в единый комплекс сложными взаимоотношениями (метабиоз, симбиоз и антагонизм). Главенствующая роль в этом сообществе принадлежит бактериям, число которых варьирует от 10 6 до 10 14 клеток на 1 г сухой биологической массы (биомассы). Число родов бактерий может достигать 5... 10, число видов - нескольких десятков и даже сотен. Сообщество микроорганизмов представлено одними бактериями в том случае, если очистку проводят в анаэробных условиях (в отсутствие растворенного в воде кислорода). В производственных сточных водах встречается до 30 видов Bacterium. Эти бактерии усваивают нефть, парафины, нафтены, фенолы и другие соединения.

Среди бактерий в очистных сооружениях сосуществуют гетеротрофы и автотрофы, причем преимущественное развитие та или иная группа получает в зависимости от условий работы системы. Эти две группы бактерий различаются по своему отношению к источнику углеродного питания. Гетеротрофы используют в качестве источника углерода готовые органические вещества и перерабатывают их для получения энергии и биосинтеза клетки. Автотрофные организмы потребляют для синтеза клетки неорганический углерод, а энергию получают за счет фотосинтеза, используя энергию света, либо хемосинтеза путем окисления некоторых неорганических соединений (например, аммиака, нитритов, солей двухвалентного железа, сероводорода, элементарной серы и др.).

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.

Вещества, находящиеся в сточных водах в коллоидном или мелкодисперсном состоянии, окисляются с меньшей скоростью, чем вещества, растворенные в воде.

Сточные воды, направляемые на биохимическую очистку, характеризуются величиной ВПК и ХПК.

ВПК - биохимическая потребность в кислороде, или количество кислорода, использованного при биохимических процессах окисления органических веществ (не включая процессы нитрификации) за определенное время инкубации пробы (2, 5, 8, 10, 20 сут), мг O 2 /мг вещества. Например, БПК 5 - биохимическая потребность в кислороде за пять суток; БПК п - полная биохимическая потребность в кислороде до начата процессов нитрификации, т.е. до появления нитритов в количестве 0,1 мг/л (примерно 20 сут), мг O 2 /мг вещества;

ХПК - химическая потребность в кислороде, определенная бихроматным методом, т.е. количество кислорода, эквивалентное количеству расходуемого окислителя, необходимого для окисления всех восстановителей, содержащихся в воде, мг Ог/мг вещества.

Биохимической активностью микроорганизмов называют биохимическую деятельность, связанную с разрушением органических загрязнений сточных вод. Возможность биохимического окисления (биоразлагаемость сточных вод) характеризуется биохимическим показателем, т.е. отношением ΒΠΚ полн /ΧΠΚ. Его значение колеблется в широких пределах для различных групп сточных вод: промышленные сточные воды имеют низкий биохимический показатель (0,05...0,3), бытовые сточные воды - свыше 0,5. При отношении (БПК/ХПК) 100% = 50% вещества поддаются биохимическому окислению. При этом необходимо, чтобы сточные воды не содержат и ядовитых веществ и примесей солей тяжелых металлов. Биохимический показатель необходим для расчета и эксплуатации сооружений для очистки сточных вод.

Для возможности подачи сточных вод на биохимическую очистку устанавливают максимальные концентрации токсичных веществ, которые не влияют на процессы биохимического окисления (МК 6) и на работу очистных сооружений (МК б.о.с.). Для неорганических веществ, которые практически не поддаются биохимическому окислению, также устанавливают максимальные концентрации, при превышении которых воду нельзя подвергать биохимической очистке.

Оптимальной температурой для аэробных процессов, происходящих в очистных сооружениях, считается 20..30°С, при этом биоценоз при прочих благоприятных условиях представлен наиболее разнообразными и хорошо развитыми микроорганизмами. Микроорганизмы хорошо развиваются при оптимальных температурах и сохраняют свою жизнеспособность при колебаниях температур в значительных диапазонах.

Концентрация водородных ионов существенно влияет на развитие микроорганизмов. Значительная часть бактерий развивается лучше всего в среде нейтральной или близкой к ней, однако имеются виды, хорошо развивающиеся в кислой среде с pH 4...6 (грибы, дрожжи) или, наоборот, в слабощелочной среде (актиномицеты). Биологическая очистка наиболее эффективна, если значение pH не выходит за пределы 5...9, оптимальной считается среда с pH 6,5...7,5. Отклонение pH за пределы 5...9 уменьшает скорость развития.

Для нормального процесса синтеза клеточного вещества, а следовательно, и для эффективного процесса очистки сточной воды в среде должна быть достаточная концентрация всех основных элементов питания - органического углерода (БПК), азота, фосфора. Кроме основных элементов состава клетки (С, Ν, О, Н) для ее построения необходимы в незначительном количестве и другие компоненты. Достаточность элементов питания для бактерий в сточных водах определяется соотношением БПК: N: Р (азот аммонийных солей или белковый и фосфор в виде растворенных фосфатов).

Токсичным действием на биологические процессы могут обладать органические и неорганические вещества. Токсичное действие может быть и микробостатическим, если задерживаются рост и развитие микроорганизмов, и убивающим (микробоцидным). Большинство веществ проявляет то или иное действие в зависимости от концентрации их в очищаемой смеси.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Биохимические методы очистки сточных вод

1. Общие положения

Биохимический метод применяется для очистки хозяйственно-бытовых и промышленных сточных вод от многих растворенных органических и некоторых неорганических (сероводорода, сульфидов, аммиака, нитритов и др.) веществ. Процесс очистки основан на способности микроорганизмов использовать эти вещества для питания в процессе жизнедеятельности - органические вещества для микроорганизмов являются источником углерода.

Контактируя с органическими веществами, микроорганизмы частично разрушают их, превращая в воду, диоксид углерода, нитрит- и сульфат-ионы и др. Другая часть вещества идет на образование биомассы. Разрушение органических веществ называют биохимическим окислением. Некоторые органические вещества способны легко окисляться, а некоторые не окисляются совсем или окисляются очень медленно.

При отношении (БПК/ХПК)*100%=50% вещества поддаются биохимическому окислению. При этом необходимо, чтобы сточные воды не содержали ядовитых веществ и примесей солей тяжелых металлов.

Для неорганических веществ, которые практически не поддаются окислению. Также устанавливают максимальные концентрации. Если такие концентрации превышены, воды нельзя подвергать биохимической очистке.

Известны аэробные и анаэробные методы биохимической очистки сточных вод. Аэробный метод основан на использовании аэробных групп организмов, для жизнедеятельности которых необходим постоянный приток кислорода и температура 20-40 0 С. При изменении кислородного и температурного режима 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.

1.1 Состав активного ила и биопленки

Активный ил состоит из живых организмов и твердого субстрата. Живые организмы представлены скоплениями бактерий и одиночными бактериями, простейшими червями, плесневыми грибами, дрожжи, актиномицетами и редко - личинками насекомых, рачков, а также водорослями и др.

Активный ил представляет собой амфотерную коллоидную систему. При pH=4-9 имеющую отрицательный заряд.

Например, химический состав активного ила системы очистки коксохимического завода отвечает формуле; городских сточных вод.

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. Чем хуже оседает ил, тем более высокий иловый индекс он имеет.

1.2 Биохимический показатель

Биохимической активностью микроорганизмов называют биохимическую деятельность, связанную с разрушением органических загрязнений сточных вод. Биоразлагаемость сточных вод характеризуется через биохимический показатель, под которым понимают отношение.

Биохимический показатель является параметром, необходимым для расчета и эксплуатации промышленных сооружений для очистки сточных вод. Его значение колеблется в широких пределах для различных групп сточных вод. Промышленные сточные воды имеют низкий биохимический показатель (0,05-0,3); бытовые сточные воды - свыше 0,5.

Скорость биохимических реакций определяется активностью ферментов, которая зависит от температуры, pH 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 (активатора), которые повышают активность ферментов, относятся многие витамины и катионы. В тоже время соли тяжелых металлов, синильная кислота, антибиотики являются ингибитором. Они блокируют активные центры фермента, препятствуют его реакции с субстратом, т.е. резко снижают активность.

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

Реакция (1) показывает характер окисления вещества для удовлетворения энергетических потребностей клетки, реакция (2) - для синтеза клеточного вещества.

1.3 Прирост биомассы

В процессе очистки сточных вод происходит процесс прироста биомассы, который зависит от химической природы загрязнений, вида и возврата микроорганизмов, БПК и ХПК, от концентрации фосфора и азота в сточной воде, от ее температуры. Прирост биомассы зависит от скорости размножения микроорганизмов и имеет сложную зависимость от времени.

Для приближенных расчетов прирост биомассы (Пр) можно определить по формуле

Коэффициент К, характеризующий качество ила, для ПСВ определяется экспериментально и изменяется в пределах 0,1-0,9.

1.4 Влияние различных факторов на скорость биохимического окисления

При заданной степени очистки основными факторами, влияющими на скорость биохимических реакций, являются концентрация потока, содержание кислорода в сточной воде, температура и pH среды, содержание биогенных элементов, а также тяжелых металлов и минеральных солей.

Турбулизация сточных вод в очистных сооружениях способствует распаду хлопьев активного ила па более мелкие и увеличивает скорость поступления питательных веществ и кислорода к микроорганизмам, что приводит к повышению скорости очистки. Интенсивность перемешивания зависит от количества подаваемого воздуха. Турбулизация потока достигается интенсивным перемешиванием, при котором активный ил находится во взвешенном состоянии, что обеспечивает равномерное распределение его в сточной воде.

Доза активного ила зависит от илового индекса. Чем меньше иловый индекс, тем большую дозу активного ила необходимо подавать на очистные сооружения. Рекомендуется поддерживать следующие соотношения:

Иловый индекс, мг/л 50 80 120 150 200 250 300

Доза ила, г/л 6 4,3 3 2,5 2 15 1

Для очистки следует применять свежий активный ил, который хорошо оседает и более устойчив к колебаниям температуры и pH среды.

Установлено, что с повышением температуры сточной воды скорость биохимической реакции возрастает. Однако на практике ее поддерживают в пределах 20-30°С. Превышение указанной температуры может привести к гибели микроорганизмов. При более низких температурах снижается скорость очистки, замедляется процесс адаптации микробов к новым видам загрязнений, ухудшаются процессы нитрификации, флокуляции и осаждения активного ила. Повышение температуры в оптимальных пределах ускоряет процесс разложения органических веществ в 2-3 раза. С увеличением температуры сточной воды уменьшается растворимость кислорода, поэтому для поддержания необходимой концентрации его в воде требуется производить более интенсивную аэрацию.

Активный ил способен сорбировать соли тяжелых металлов. При этом снижается биохимическая активность ила происходит вспухание его из-за интенсивного развития нитчатых форм бактерий. По степени токсичности тяжелые металлы можно расположить в следующем порядке: . Соли этих металлов снижают скорость очистки. Допустимая концентрация токсичных веществ, при которой возможно биологическое окисление, зависит от природы этих веществ. В тех случаях, когда сточные воды содержат несколько видов токсичных веществ, расчет очистных сооружений ведут по наиболее сильнодействующим из них.

Абсорбция и потребление кислорода. Для окисления органических веществ микроорганизмам необходим кислород, но они могут использовать его только в растворенном в воде виде. Для насыщения сточной воды кислородом проводят процесс аэрации, разбивая воздушный поток на пузырьки, которые, по возможности, равномерно распределяют в сточной воде. Из пузырьков воздуха кислород абсорбируется водой, а затем переносится к микроорганизмам.

Для успешного протекания реакций биохимического окисления необходимо присутствие в сточных водах соединений биогенных элементов и микроэлементов:N, S, P, K, Mg, Ca, Na, Cl, Fe, Mn, Mo, Ni, Co, Zn, Cu и др.Среди этих элементов основными являются N, Р и K, которые при биохимической очистке должны присутствовать в необходимых количествах. Содержание остальных элементов не нормируется, так как их в сточных водах достаточно.

Недостаток азота тормозит окисление органических загрязнителей и приводит к образованию труднооседающего ила. Недостаток фосфора приводит к развитию нитчатых бактерий, что является основной причиной вспуханий активного ила, плохого оседания и выноса его из очистных сооружений, замедления роста ила и снижения интенсивности окисления.

При нехватке азота, фосфора и калия в сточную воду вводят различные азотные, фосфорные и калийные удобрения. Соответствующие соединения азота, фосфора и калия содержатся в бытовых сточных водах, поэтому при их совместной очистке с промышленными стоками добавлять биогенные элементы не надо.

2. Очистка в природных условиях

Аэробные процессы биохимической очистки могут протекать в природных условиях и в искусственных сооружениях. В естественных условиях очистка происходит на полях орошения, полях фильтрации и биологических прудах. Искусственными сооружениями являются аэротенки и биофильтры разной конструкции. Тип сооружений выбирают с учетом местоположения завода, климатических условий, источника водоснабжения, объема промышленных и бытовых сточных вод, состава и концентрации загрязнений. В искусственных сооружениях процессы очистки протекают с большей скоростью, чем в естественных условиях.

2.1 Поля орошения

Это специально подготовленные земельные участки, используемые одновременно для очищения сточных вод и агрокультурных целей. Очистка сточных вод в этих условиях идет под действием почвенной микрофлоры, солнца, воздуха и под влиянием жизнедеятельности растений.

Земледельческие поля орошения имеют следующие преимущества перед аэротенками:

1) снижаются капитальные и эксплуатационные затраты;

2) исключается сброс стоков за пределы орошаемой площади;

3) обеспечивается получение высоких и устойчивых урожаев сельскохозяйственных растений;

4) вовлекаются в сельскохозяйственный оборот мало продуктивные земли.

В процессе биологической очистки сточные воды проходят через фильтрующий слой почвы, в котором задерживаются взвешенные и коллоидные частицы, образуя в порах грунта микробиальную пленку. Затем образовавшаяся пленка адсорбирует коллоидные частицы и растворенные в сточных водах вещества. Проникающий из воздуха в поры кислород окисляет органические вещества, превращая их в минеральные соединения. В глубокие слои почвы проникание 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.

Поля орошения лучше устраивать на песчаных, суглинистых и черноземных почвах. Грунтовые воды должны быть не выше 1,25 м от поверхности. Если грунтовые поды залегают выше этого уровня, то необходимо устраивать дренаж.

[принимают равными 5-20 м 3 (га*сут)]

B зимнее время сточную воду направляют только на резервные поля фильтрации. Так как в этот период фильтрация сточной воды или прекращается полностью или замедляется, то резервное поле фильтрации проектируют с учетом площади намораживания Fн (в м 2):

где Q - расход сточных вод, м 3 /сут; Tн - число дней намораживания; ? - коэффициент, характеризующий величину зимней фильтрации; hн и hо - высоты слоев соответственно намораживания и зимних осадков, м; ?л - плотность льда, кг/м 3 .

2.2 Биологические пруды

Представляют собой каскад прудов, состоящий из 3-5 ступеней, через которые с небольшой скоростью протекает осветленная или биологически очищенная сточная вода.

Пруды предназначены для биологической очистки и для доочистки сточных вод в комплексе с другими очистными сооружениями. Различают пруды с естественной или искусственной аэрацией.

Пруды с естественной аэрацией имеют небольшую глубину (0,5-1 м), хорошо прогреваются солнцем и заселены водными организмами.

3. Очистка в искусственных сооружениях

В искусственных условиях очистку проводят в аэротенках или биофильтрах.

3.1 Очистка в аэротенках

Аэротенками называют железобетонные аэрируемые резервуары. Процесс очистки в аэротенке идет по мере протекания через него аэрированной смеси сточной воды и активного ила (рис. 1). Аэрация необходима для насыщения воды кислородом и поддержания ила во взвешенном состоянии.

Рис. 1. Схема установки для биологической очистки: 1 - первичный отстойник; 2 - предаэратор; 3 - аэротенк; 4 - регенератор; 5 - вторичный отстойник

Перед аэротенком сточная жидкость должна содержать не более 150 мг/л взвешенных частиц и не более 25 мг/л нефтепродуктов. Температура очищаемых сточных вод не должна быть ниже 6°С и выше 30°С, а pH - в пределах 6,5-9.

Аэротенк представляет собой открытый бассейн, оборудованный устройствами для принудительной аэрации. Они бывают двух-, трех- и четырехкоридорные.

Глубина аэротенков 2-5 м.

Наиболее распространены коридорные аэротенки, работающие как вытеснители, смесители и с комбинированными режимами.

Схемы аэротенков с различной структурой потоков сточной воды и возвратного активного ила показаны на рис. 2.

Рис. 2. Аэротенки с различной структурой потоков сточной воды и возвратного активного ила: а - аэротенк-вытесннтель; б- аэротенк-смеситель; в-аэротенк с рассредоточенной подачей сточной воды

3.2 Аэрация

Растворимость кислорода в воде мала (зависит от температуры и давления), поэтому для насыщения ее кислородом подают большое количество воздуха.

Растворимость кислорода в чистой воде при давлении 0,1 МПа представлена ниже:

Температура, °С 5 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28

Растворимость, 12,8 11,3 10,8 10,3 9,8 9,4 9,0 8,7 8,3 8,0 7,7

При аэрации должна быть обеспечена большая поверхность контакта между воздухом, сточной водой и илом, что является необходимым условием эффективной очистки. На практике используют пневматический, механический и пневмомеханический способы аэрации сточной воды в аэротенках.

Продолжительность аэрации в аэротенках всех типов равна

x-(Lа-L?)/,

где La и L? - БПКполн поступающей на очистку воды и очищенной воды, мг О2/л; а - доза ила, г/л; Sл - зольность ила в долях единицы; ? - средняя расчетная скорость окисления, мг БПКполн/г беззольного вещества ила в 1 ч.

3.3 Очистка в биофильтрах

Биофильтры - сооружения, в корпусе которых размещается кусковая насадка (загрузка) и предусмотрены распределительные устройства для сточной воды и воздуха. В биофильтрах сточная вода фильтруется через слой загрузки, покрытый пленкой из микроорганизмов. Микроорганизмы биопленки окисляют органические вещества, используя их как источники питания и энергии. Таким образом, из сточной воды удаляются органические вещества, а масса активной биопленки увеличивается. Отработанная (омертвевшая) биопленка смывается протекающей сточной водой и выносится из биофильтра.

В качестве загрузки используют различные материалы с высокой пористостью, малой плотностью и большой удельной поверхностью: щебень, гравий, шлак, керамзит, керамические и пластмассовые кольца, кубы, шары, цилиндры, шестигранные блоки; металлические и пластмассовые сетки, скрученные в рулоны.

Рис. 3. Схемы установок для очистки сточных вод биофильтрами: а - одноступенчатая; б - двухступенчатая; 1 - первичные отстойники; 2,4 - биофильтры 1 и 2 ступеней; 3 - вторичные отстойники; 5 - третичный отстойник

Биофильтры с капельной фильтрацией имеют низкую производительность, но обеспечивают полную очистку. Гидравлическая нагрузка их равна 0,5-3 м 3 /(м 2 сут). Их используют для очистки вод до 1000 м 3 /сут при БПК не более 200 мг/л. Высоконагружаемые биофильтры работают при гидравлической нагрузке 10- 30 м 3 /(м 2 сут), т. е. очищают в 10-15 раз больше сточной воды, чем капельные. Однако они не обеспечивают полную биологическую очистку.

Для лучшего растворения кислорода производят аэрацию. Объем воздуха, подаваемого в биофильтр, не превышает 16 м 3 на 1 м 3 сточной воды. При БПК20>ЗОО мг/л обязательна рециркуляция очищенной воды.

Башенные биофильтры применяют для очистных сооружений производительностью до 5000 м 3 /сут.

Рис. 4. Биотенк-биофильтр (1 - корпус; 2 - элементы загрузки)

4. Анаэробные методы биохимической очистки

Анаэробные методы обезвреживания используют для сбраживания осадков, образующихся при биохимической очистке производственных сточных вод, а также как первую ступень очистки очень концентрированных промышленных сточных вод (БПКполн?4-5 г/л), содержащих органические вещества, которые разрушаются анаэробными бактериями в процессах брожения. В зависимости от конечного вида продукта различают следующие виды брожения: спиртовое, пропионовокислое, молочнокислое, метановое и др. Конечными продуктами брожения являются: спирты, кислоты, ацетон, газы брожения (CO2, H2, CH4).

Для очистки сточных вод используют метановое брожение. Этот процесс очень сложный и многостадийный. Механизм его окончательно не установлен. Считают, что процесс метанового брожения состоит из двух фаз: кислой и щелочной (или метановой). В кислой фазе из сложных органических веществ образуются низшие жирные кислоты, спирты, аминокислоты, аммиак, глицерин, ацетон, сероводород, диоксид углерода и водород. Из этих промежуточных продуктов в щелочной фазе образуются метан и диоксид углерода. Предполагается, что скорости превращений веществ в кислой и щелочной фазах одинаковы.

Основная реакция метанообразования может быть записана уравнением (Н2А - органическое вещество, содержащее водород):

СО2 + 4Н2А - СН4+4А+2Н2О.

Процесс брожения проводят в метантенках - герметически закрытых резервуарах, оборудованных приспособлениями для ввода несброженного и отвода сброженного осадка. Схема метантенка показана на рис. 5. Перед подачей в метантенк осадок должен быть по возможности обезвожен.

Рис. 5. Метантенк: 1 - корпус; 2 - труба; 3 - мешалка; 4 - змеевик

очистка сточный вода аэрация

Основными параметрами аэробного сбраживания являются температура, регулирующая интенсивность процесса, доза загрузки осадка и степень его перемешивания. Процессы сбраживания ведут в мезофильных (30-35°С) и термофильных (50-55°С) условиях. Полного сбраживания органических веществ в метантенках достичь нельзя. Все вещества имеют свой предел сбраживания, зависящий от их химической природы. В среднем степень распада органических веществ составляет около 40%.

При сбраживании выделяются газы, которые в среднем содержат 63-65% метана, 32-34% СО2. Теплотворная способность газа 23 МДж/кг. Его сжигают в топках паровых котлов. Пар используют для нагрева осадков в метантенках или для других целей.

5. Обработка осадков

В процессе биохимической очистки в первичных и вторичных отстойниках образуются большие массы осадков, которые необходимо утилизировать или обрабатывать с целью уменьшения загрязнения биосферы.

Эти операции весьма затруднены, поскольку осадки имеют разный состав и большую влажность.

Их подразделяют на три группы:

1) осадки в основном минерального состава;

2) осадки в основном органического состава;

3) смешанные осадки, содержащие как минеральные, так и органические вещества.

Осадки характеризуются содержанием сухого вещества (в г/л или в %); содержанием беззольного вещества (в % от массы сухого вещества); элементным составом; кажущейся вязкостью и текучестью; гранулометрическим составом.

Как правило, осадки сточных вод представляют собой труднофильтруемые суспензии. Во вторичных отстойниках в осадке находится в основном избыточный активный ил, объем которого в 1,5-2 раза больше, чем объем осадка из первичного отстойника.

В осадках содержится свободная и связанная вода. Свободная вода (60-65%) сравнительно легко может быть удалена из осадка, связанная вода (30-35%) - коллоидно-связанная и гигроскопическая - гораздо труднее. Коллоидно-связанная влага обволакивает твердые частицы гидратной оболочкой и препятствует их соединению в крупные агрегаты. Некоторое количество этой влаги удаляется из осадка после коагуляции в процессе фильтрования.

5.1 Уплотнение активного ила

Уплотнение осадков связано с удалением свободной влаги и является необходимой стадией всех технологических схем обработки осадков. При уплотнении в среднем удаляется 60% влаги, и масса осадка сокращается в 2,5 раза. Наиболее трудно уплотняется активный ил. Влажность активного ила составляет 99,2-99,5%. Взвешенные частицы ила имеют небольшой размер и плотную гидратную оболочку, которая препятствует уплотнению частиц. Уплотнение активного ила сопровождается ростом удельного сопротивления при фильтровании.

Для уплотнения используют гравитационный, флотационный, центробежный и вибрационный методы.

Гравитационный метод уплотнения является наиболее распространенным и применяется для уплотнения избыточного активного ила и сброженных осадков. Он основан на оседании частиц дисперсной фазы. В качестве илоуплотнителей используют вертикальные или радиальные отстойники. Наибольшее распространение имеют илоуплотнители радиального типа, так как в них получается активный ил более высокой концентрации при меньшей длительности уплотнения.

Гравитационное уплотнение не эффективно: наблюдается высокая концентрация взвешенных веществ в отделяемой воде и большая влажность уплотненных осадков, что удорожает последующую их обработку.

Флотационный метод уплотнения осадков основан на прилипании частиц активного ила к пузырькам воздуха и всплывании вместе с ними на поверхность. Для образования пузырьков воздуха может быть использован метод напорной флотации, вакуум-флотации, электрофлотации и биологической флотации (за счет развития и жизнедеятельности микроорганизмов при подогреве осадка до 35-55°С). Достоинства метода состоят в сокращении продолжительности процесса и более высокой степени уплотнения.

Рис. 5. Схема установки уплотнения флотацией активного ила от обработки городских сточных вод: 1 - первичный отстойник; 2 - аэротенк; 3 - вторичный отстойник; 4 - уплотнитель осадка из первичного отстойника; 5 - флотатор; 6 - емкость для уплотненного ила

5.2 Стабилизация осадков

Этот процесс проводят для разрушения биологически разлагаемой части органического вещества на диоксид углерода, метан и воду. Стабилизацию ведут при помощи микроорганизмов в анаэробных и аэробных условиях. В анаэробных условиях проводится сбраживание в септиках, двухъярусных отстойниках, осветлителях-перегнивателях и метантенках. Септики и отстойники используют на установках небольшой производительности. Наиболее широкое распространение получили метантенки, рассмотренные ранее.

Аэробная стабилизация заключается в продолжительной обработке ила в аэрационных сооружениях с пневматической, механической или пневмомеханической аэрацией. В результате такой обработки происходит распад (окисление) основной части биоразлагаемых органических веществ (до СО2, Н2О и NH3). Оставшиеся органические вещества становятся неспособными к загниванию, т.е. стабилизируются. Расход кислорода на процесс стабилизации приблизительно равен 0,7 кг/кг органического вещества.

Недостаток процесса по сравнению со сбраживанием - высокие затраты на аэрирование.

5.3 Обезвоживание осадков

Осадки обезвоживают на иловых площадках и механическим способом.

Иловые площадки - это участки земли (корты), со всех сторон окруженные земляными валами. Если почва хорошо фильтрует воду и грунтовые воды находятся на большой глубине, иловые площадки устраивают на естественных грунтах. При залегании грунтовых вод на глубине до 1,5 м фильтрат отводят через специальный дренаж из труб, а иногда делают искусственное основание. Рабочая глубина площадок - 0,7-1 м. Площадь иловых площадок зависит от количества и структуры осадка, характера грунта и климатических условий. Иловую воду после уплотнения направляют на очистные сооружения.

В районах с теплым климатом для очистных сооружений производительностью более 10000 могут быть оборудованы площадки с поверхностным удалением воды. Они представляют собой каскад из 4-8 площадок.

Литература

1. Акимова Т.В. Экология. Человек-Экономика-Биота-Среда: Учебник для студентов вузов / Т.А. Акимова, В.В. Хаскин; 2-е изд., перераб. и дополн. - М.: ЮНИТИ, 2009. - 556 с. Рекомендован Минобр. РФ в качестве учебника для студентов вузов.

2. Акимова Т.В. Экология. Природа-Человек-Техника: Учебник для студентов техн. направл. и специал. Вузов / Т.А. Акимова, А.П. Кузьмин, В.В. Хаскин. - Под общ. ред. А.П. Кузьмина; Лауреат Всеросс. конкурса по созд. новых учебников по общим естественнонауч. дисципл. для студ. вузов. М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2006. - 343 с. Рекомендован Минобр. РФ в качестве учебника для студентов вузов.

3. Бродский А.К. Общая экология: Учебник для студентов вузов. М.: Изд. Центр "Академия", 2006. - 256 с. Рекомендован Минобр. РФ в качестве учебника для бакалавров, магистров и студентов вузов.

4. Воронков Н.А. Экология: общая, социальная, прикладная. Учебник для студентов вузов. М.: Агар, 2006. - 424 с. Рекомендован Минобр. РФ в качестве учебника для студентов вузов.

5. Коробкин В.И. Экология: Учебник для студентов вузов / В.И. Коробкин, Л.В. Передельский. -6-е изд., доп. И перераб. - Ростон н/Д: Феникс, 2007. - 575 с. Лауреат Всеросс. конкурса по созд. новых учебников по общим естественнонауч. дисципл. для студ. вузов. Рекомендовано Минобр. РФ в качестве учебника для студентов вузов.

6. Николайкин Н.И., Николайкина Н.Е., Мелехова О.П. Экорлогия. 2-е изд. Учебник для вузов. М.: Дрофа, 2008. - 624 с. Рекомендован Минобр. РФ в качестве учебника для студентов технич. вузов.

7. Стадницкий Г.В., Родионов А.И. Экология: Уч. пособие для стут. химико-технол. и техн. сп. вузов. / Под ред. В.А. Соловьева, Ю.А. Кротова.- 4-е изд., испр. - СПб.: Химия, 2007. - 238 с. Рекомендован Минобр. РФ в качестве учебника для студентов вузов.

8. Одум Ю. Экология т.т. 1, 2. Мир, 2006.

9. Чернова Н.М. Общая экология: Учебник для студентов педагогических вузов / Н.М. Чернова, А.М. Былова. - М.: Дрофа, 2008. - 416 с. Допущено Минобр. РФ в качестве учебника для студентов высших педагогических учебных заведений.

10. Экология: Учебник для студентов высш. и сред. учеб. заведений, обуч. по техн. спец. и направлениям / Л.И. Цветкова, М.И. Алексеев, Ф.В. Карамзинов и др.; под общ. ред. Л.И. Цветковой. М.: АСБВ; СПб.: Химиздат, 2007. - 550с.

11. Экология. Под ред. проф. В.В. Денисова. Ростов-н/Д.: ИКЦ "МарТ", 2006. - 768 с.

Размещено на Allbest.ru

...

Подобные документы

Механическая очистка сточных вод на канализационных очистных сооружениях. Оценка количественного и качественного состава, концентрации загрязнений бытовых и промышленных сточных вод. Биологическая их очистка на канализационных очистных сооружениях.

курсовая работа , добавлен 02.03.2012


Эффективность процесса биохимической очистки сточных вод, концентрация активного ила. Использование технического кислорода для аэрации. Биоадсорбционный способ биологической очистки. Использование мутагенеза, штаммов и адаптированных микроорганизмов.

контрольная работа , добавлен 08.04.2015


Очистка промышленных сточных вод с использованием электрохимических процессов и мембранных методов (ультрафильтрация, нанофильтрация, обратный осмос). Новые изобретения для очистки и обеззараживания коммунально-бытовых и сельскохозяйственных сточных вод.

курсовая работа , добавлен 09.12.2013


Анализ полной биологической очистки хозяйственно–бытовых сточных вод поселка городского типа. Технологическая схема биологической очистки стоков и ее описание. Расчет аэротенка-вытеснителя с регенератором, технологической схемы очистки сточных вод.

дипломная работа , добавлен 19.12.2010


Внедрение технологии очистки сточных вод, образующихся при производстве стеновых и облицовочных материалов. Состав сточных вод предприятия. Локальная очистка и нейтрализация сточных вод. Механические, физико-химические и химические методы очистки.

курсовая работа , добавлен 04.10.2009


Понятие, принципы и возможные методы очистки сточных вод, особенности их бытовых, производственных и поверхностных видов. Общая характеристика используемых систем очистки, их эффективность. Проблемы и нарушения при очистке бытовых и промышленных стоков.

реферат , добавлен 08.11.2011


Физико-химическая характеристика сточных вод. Механические и физико-химические методы очистки сточных вод. Сущность биохимической очистки сточных вод коксохимических производств. Обзор технологических схем биохимических установок для очистки сточных вод.

курсовая работа , добавлен 30.05.2014


Состав сточных вод. Характеристика сточных вод различного происхождения. Основные методы очистки сточных вод. Технологическая схема и компоновка оборудования. Механический расчет первичного и вторичного отстойников. Техническая характеристика фильтра.

дипломная работа , добавлен 16.09.2015


Очистка сточных вод как комплекс мероприятий по удалению загрязнений, содержащихся в бытовых и промышленных водах. Особенности механического, биологического и физико-химического способа. Сущность термической утилизации. Бактерии, водоросли, коловратки.

презентация , добавлен 24.04.2014


Состав сооружений, расположенных на окраине п. Белый Яр и технологическая схема. Количественная и качественная характеристика стоков. Зарубежный опыт использования искусственных водно-болотных экосистем для очистки сточных вод в условиях холодного климата