Главная / Очищение организма

Значение и эффективность биохимической очистки. Биохимическая очистка сточных вод. Сущность процессов, область применения. Технология биохимической очистки

Биохимический метод используется для очистки хозяйственно-бытовых и промышленных сточных вод (СВ) от растворенных органических и некоторых неорганических веществ (H 2 S, сульфиды, аммиак, нитриты и др.). Процессоснован на способности микроорганизмов использовать эти вещества для питания в процессе жизнедеятельности – органические вещества для микроорганизмов являются источником углерода.

Основные показатели процесса.

БПК – биохимическая потребность в кислороде или количество кислорода, используемое при биохимических процессах окисления органических веществ (не включая процессы нитрификации) за определенный промежуток времени (2, 5, 8, 10, 20 сут) в мгО 2 на 1 мг вещества. (БПК 5 – БПК за 5 суток).

ХПК – химическая потребность в кислороде, т. е. количество кислорода, эквивалентное количеству расходуемого окислителя, необходимого для окисления всех восстановителей, содержащихся в воде, мгО 2 /1 мг вещества.

При контакте с органическими веществами микроорганизмы частично разрушают их, превращая в воду, СО 2 , нитрит- и сульфат-ионы. Другая часть вещества идет на образование биомассы – процесс биохимического окисления.

При сбросе СВ на биохимические очистные сооружения должны соблюдаться следующие требования:

Концентрации токсичных веществ должны быть не выше максимально установленных, не влияющих на процессы биохимического окисления (МК б) и на работу очистных срооружений (МК б.о.с.), или БПК/ХПК0,5;

СВ не должны содержать ядовитые вещества и соли тяжелых металлов;

Неорганические вещества, не поддающиеся окислению, должны иметь концентрации максимально установленных (МК б (Cu) – 0,5 мг/л; (Hg) – 0,02 мг/л; (Pb) – 0,1 мг/л и т. д.).

Биохимическиеметоды

Анаэробные Без доступа О 2

Состав активного ила и биопленки.

Активный ил (АИ) - живые организмы + твердый субстрат

Сообщество живых организмов (скопления и одиночные бактерии, простейшие, черви, плесневые грибы, дрожжи; редко – личинки насекомых, рачков, а также водоросли и др.) – биоценоз, представлен, в основном, 12 видами микроорганизмов и простейших.

Скопление бактерий в АИ окружены слизистым слоем (капсулами). Такие скопления называются зоогелями . Слизистые вещества содержат антибиотики, способные подавлять нитчатые бактерии. Бактерии, лишенные слизистого слоя, с меньшей скоростью окисляют загрязнения.

В АИ находятся организмы различных групп, их возникновение зависит от состава СВ, содержания в них О 2 , температуры, рН, содержания солей и т. д.

По экологическим группам микроорганизмы (разрушают органические вещества) делятся:

2. анаэробы

3. термофилы

4. мезофилы

5. галофилы

6. галофобы

Простейшие (органические вещества не разрушают, поддерживают баланс бактерий или питаются ими):

1. сардиковые

2. жгутиковые

3. реснитчатые

4. сосущие инфузории

При образовании АИ сначала появляются бактерии, затем простейшие.

АИ – буровато-желтые комочки и хлопья, размер – 3-150 мкм. Поверхность хлопьев 1200м 2 /1м 3 ила (100 м 2 /1г сухого вещества). В 1м 3 АИ – 2*10 14 бактерий.

Биопленка растет на носителе биофильтра; имеет вид слизистых обрастаний размером 1-2мм и более. Цвет зависит от состава СВ – от светло-желтого до темно-коричневого.

Состав : бактерии, грибы, дрожжи и др., простейшие, коловратки, черви (разнообразнее, чем в АИ). Личинки комаров и мух, черви и клещи поедают АИ и биопленку, вызывая их рыхление, что способствует процессу очистки. Число микроорганизмов в биопленке меньше, чем в АИ, в 1м 3 биопленки - 2*10 12 бактерий.

Закономерности распада органических веществ.

Органические вещества при помощи специфического белка – переносчика (он образует с органическими веществами растворимый комплекс) проходят через мембрану в клетку микроорганизма, комплекс разрушается, белок-переносчик включается в новый цикл переноса, а внутри клетки происходят превращения, заканчивающиеся окислением вещества с выделением энергии и синтезом новых веществ с затратой этой энергии.

Этот процесс непрерывен и очень сложен, протекают в строгой последовательности с большой скоростью множество реакций, что определяется ферментами (катализаторы биохимических реакций). Каждую реакцию катализирует определенный фермент, содержащийся в клетке.

Вещества, повышающие активность ферментов (активаторы): витамины, Са 2+ , Мg 2+ , Mn 2+ .

Ингибиторы: соли тяжелых металлов, синильная кислота, антибиотики.

Суммарные реакции биохимического окисления в аэробных условиях:

CxHyOzN +(x+y/4+z/3+3/4)O 2 ферменты xCO 2 +(y-3)/2H 2 O+NH 3 +H (1)

CxHyOzN +NH 3 + O 2 ферменты C 5 H 7 NO 2 +CO 2 +H (2)

Реакция (1) – удовлетворение энергетических потребностей клетки

Реакция (2) – для синтеза клеточного вещества.

C 5 H 7 NO 2 +5O 2 ферменты 5 CO 2 +NH 3 +2H 2 O+H

NH 3 + O 2 ферменты HNO 2 + O 2 ферменты HNO 3

CxHyOzN – все органические вещества СВ

C 5 H 7 NO 2 – среднее соотношение основных элементов в клеточном веществе бактерий

H – энергия.

Живые организмы могут использовать только химически связанную энергию, универсальный ее переносчик в клетке – аденозитрифосфорная кислота (АТФ), образующаяся в ходе реакции с аденозиндифосфорной кислотой (АДФ):

АДФ+Н 3 РО 4 АТФ+Н 2 О

Метаболизм некоторых веществ.

СН 4 СН 3 ОН НСНО НСООН СО 2

Нитрификация и денитрификация .

Нитрифицирующие бактерии окисляют азот аммонийных соединений сначала до NO 2 - NO 3 - - процесс нитрификации

NH 4 + O 2 ферменты HNO 2 + O 2 ферменты HNO 3

Денитрифицирующие бактерии отщепляют связанный кислород от нитритов и нитратов и вновь расходуют его на окисление органических веществ – процесс денитрификации.

NH 2 OH NH 3 (редко)

NO 3 - NO 2 - NO

Окисление серосодержащих веществ.

Сера, H 2 S, тиосульфаты, политионаты и др. соединения серные бактерии окисляют до H 2 SO 4 и сульфатов.

Процесс интенсифицируется в присутствии:N, P, K, небольшого количества Fe, Mg, Zn, B, Mn.

Окисление Fe и Mn.

Железобактерии получают энергию, окисляя Fe 2+ до Fe 3+

4FeCO 3 +O 2 +6H 2 O 4Fe(OH) 3 +4CO 2 +H

Mn 2+ +1/2 O 2 +2OH - MnO 2 +H 2 O

Аэробная очистка:

В природных условиях

В искусственных сооружениях

В природных условиях:

На полях орошения

На полях фильтрации

В биологических прудах

Поля орошения (ПО) – специально подготовленные земельные участки, используемые для очищения СВ и агрокультурных целей. Очистка СВ идет под действием почвенной микрофлоры, солнца, воздуха и под влиянием жизнедеятельности растений.

В почве ПО находятся бактерии, дрожжи, грибы, водоросли, простейшие и беспозвоночные животные (их количество зависит от времени года).

Поля фильтрации – используются только для биологической очистки СВ без выращивания на них сельскохозяйственных культур.

Преимущества очистки в природных условиях:

Снижаются капитальные и эксплуатационные затраты

Исключается сброс стоков за пределы орошаемой площади

Обеспечивается получение высоких и устойчивых урожаев с/х растений

Вовлекаются в с/х оборот малопродуктивные земли.

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

Варианты естественной биохимической очистки СВ см. на рис. 50.

Биологические пруды – каскад прудов, состоящих из 3 – 5 ступеней, через которые с небольшой скоростью протекает осветленная или биологически очищенная СВ.

Пруды предназначены для биологической очистки и доочистки СВ в комплексе с другими очистными сооружениями. Пруды бывают с естественной и искусственной аэрацией.

Бактерии используют для окисления кислород, выделяемый водорослями в процессе фотосинтеза, а также О 2 из воздуха. Водоросли потребляют СО 2 , фосфаты и аммонийный азот, выделяющиеся при биохимическом разложении органических веществ. Tемпература, при которой происходят процессы очистки в прудах 6 0 С, зимой пруды не работают.

Для искусственной аэрации используют компрессоры низкого давления, при этом происходит перемешивание воды.

Очистка в искусственных условиях:

В аэротенках

В биофильтрах

Очистка в аэротенках :

Аэротенки – железобетонные аэрируемые резервуары. Процесс очистки в аэротенке происходит по мере протекания через него аэрируемой смеси сточной воды и активного ила.

Аэрация нужна для насыщения воды О 2 и поддержания ила во взвешенном состоянии.

Биохимические процессы в аэротенке:

а) адсорбция поверхностью активного ила органических веществ и минерализация легко окисляющихся веществ при интенсивном потреблении кислорода;

б) доокисление медленно окисляющихся органических веществ, регенерация активного ила (кислород при этом потребляется медленнее).

Перед аэротенками СВ должны содержать не более 150 мг/л взвешенных веществ и не более 25 мг/л нефтепродуктов, 6 0 Сt30 0 С,рН = 6,5-9.

Аэротенк состоит из регенератора (25% от объема) и собственно аэротенка.

После контактирования СВ с илом поступает во вторичный отстойник, где ил отделяется от воды. Большую его часть возвращают в аэротенк, а избыток – в преаэратор.

Аэротенк – открытый бассейн с устройством принудительной аэрации (глубина до 2 – 5 м).

Аэротенки классифицируют :

1)по гидродинамическому режиму

Аэротенк-вытеснитель

Аэротенк-смеситель

Аэротенк промежуточного типа

2)по способу регенерации АИ

С отдельной регенерацией

Без отдельной регенерации

3) по нагрузке на АИ

Высоконагружаемые (для неполной очистки)

Обычные (низконагружаемые с продленной аэрацией)

4) по количеству ступеней

5) по режима ввода СВ

Проточные

Полупроточные

С переменным рабочим уровнем и контактные

6) по конструктивным признакам.

иловая смесь

Рис. Аэротенки с различной структурой потоков СВ и возвратного активного ила:

а) аэротенк-вытеснитель

б) аэротенк-смеситель

в) аэротенк с рассредоточенной подачей СВ

а) используют для малоконцентрированных вод (до 300мг/л по БПКполн)

б) для концентрированных вод с БПКполн до 1000мг/л

Одноступенчатые схемы без регенерации ила используют при БПКполн150 мг/л, с регенерацией >150 мг/л и при наличие вредных производственных примесей.

Двухступенчатые схемы – для очистки высококонцентрированных СВ.

Аэрация .

Методы: а) пневмотический

б) механический

в) пневмомеханический

а) сжатый воздух воздуходувной подают через пористые керамические плиты (фильтросы, пористые и перфорированные трубы)

б) перемешивание жидкости различными устойствами, обеспечивающее дробление струй воздуха. Вблизи этих устройств возникают пузырьки газа, при помощи которого О 2 переходит в СВ

в) сжатый воздух поступает через аэрационное кольцо с большими отверстиями и разбивается на мелкие пузырьки. Используют, когда необходимо интенсивное перемешивание и высокая окислительная мощность.

Продолжительность аэрации:

где и - БПКполн поступающей на очистку и очищенной воды, мгО 2 /л

а – доза ила, г/л

Sл – зольность ила в долях единицы

Т - средняя расчетная скорость окисления мг БПКполг/г беззольного вещества ила в час.

Разные конструкции аэротенков (см. рис. 51).

Для интенсификации процесса биохимической очистки СВ перед аэротенком можно обрабатывать окислителями (О 3) для снижения ХПК.

Есть схемы, где для отделения активного ила используют не отстойники, а флотаторы.

Использование флотатора позволяет повысить концентрацию активного ила в аэротенке до 10 – 12 г/л и увеличить его производительность в 2 – 3 раза.

Биофильтры .

Биофильтры – это сооружения, в корпусе которых размещается кусковая насадка (загрузка) и предусмотрены распределительные устройства для СВ.

СВ фильтруются через слой загрузки, покрытый пленкой микроорганизмов, которые окисляют органические вещества, используя их как источник питания и энергии.

Из СВ удаляются органические вещества, а масса биопленки повышается. Отработанная (омертвевшая) биопленка смывается протекающей СВ и выносится из биофильтра.

Керамзит;

Керамические и пластмассовые кольца;

Кубы, шары, цилиндры, шестигранные блоки;

Металлические и пластмассовые сетки, скрученные в рулоны.

Биофильтры:

а) – с полной биологической очисткой;

С неполной биологической очисткой;

б) – с естественной подачей воздуха;

С искусственной подачей воздуха;

в) – с рециркуляцией СВ;

Без рециркуляции СВ;

г) – одноступенчатые;

Двухступенчатые;

д) – капельные;

Высоконагружаемые

Схемы установок для очистки СВ биофильтрами (рис. 52)

СВ

Очищенная вода

СВ очищенная

Рис.52 Схемы установок для очистки СВ биофильтрами

а) – одноступенчатая

б) – двухступенчатая

1 – первичные отстойники

2,4 – биофильтры I и II ступеней

3 – вторичные отстойники

5 – третичные отстойники.

Биопленка выполняет те же функции, что и активный ил: адсорбируют и перерабатывают биологические вещества. Окислительная мощность биофильтров ниже мощности аэротенков.

На эффективность очистки СВ влияют:

БПК очищенной воды

Природа органических загрязнений

Скорость окисления

Интенсивность дыхания микроорганизмов

Масса веществ, адсорбируемых пленкой

Толщина биопленки

Состав обитающих в биопленке микроорганизмов

Интенсивность аэрации

Площадь и высота биофильтра

Характеристика загрузки (размер кусков, пористость, удельная поверхность)

Физические свойства СВ (температура, гидравлическая нагрузка, интенсивность рециркуляции, равномерность распределения СВ по сечению загрузки, степень смачиваемости биопленки).

Двухъярусные биофильтры применяют, когда для достижения высокой степени очистки нельзя увеличить высоту биофильтров.

Биофильтры с капельной фильтрацией обеспечивает полную очистку, но имеют низкую производительность (0,5 – 3 м 3 /м 2 сутки). БПК очищаемой воды 200мг О 2 /л.

Высоконагружаемые биофильтры – производительность 10 – 30 м 3 /м 2 сутки, но не обеспечивает полную биологическую очистку. Используют аэрацию (16 м 3 воздуха/1 м 3 СВ). при БПК 20 > 300мг/л – рециркуляция очищенной воды.

Башенные биофильтры – производительность до 5000 м 3 /сутки.

Биотенк-биофильтр – корпус с расположенными в шахматном порядке элементами загрузки, которую представляют собой полуцилиндры диаметром 80мм. СВ поступает сверху, наполняя элементы загрузки, и через края стекает вниз. На наружных поверхностях элементов образуется биопленка, а в элементах – биомасса, похожая на активный ил. Насыщение воды О 2 происходит при движении жидкости.

Аппараты с псевдоожиженным слоем .

Колонна с псевдоожиженным слоем зернистого материала (песка), на поверхности которого культивируются микроорганизмы. СВ предварительно насыщают О 2 и подают в колонку снизу вверх со скоростью 25 – 60 м/час.

Поверхность загрузки – 3200 м 2 /м 3 (в 20 раз больше, чем в аэротенках, в 40 раз больше, чем в биофильтре).

Процессы протекают очень быстро: БПК СВ снижается на 85 – 90% за 15 минут (в аэротанке – за 6 – 8 часов).

Окситенки.

Биохимическая очистка СВ с применением вместо воздуха технического кислорода – «биоосаждение» осуществляется в окситенках.

Использование О 2 вместо воздуха позволяет:

повысить эффективность использования О 2 с 8 – 9 до 90 - 95%
повысить окислительную мощность по сравнению с аэротенками в 5-6 раз
снизить скорость перемешивания СВ (это улучшает осаждение ила, т. к. не разрушаются крупные хлопья)
улучшить бактериальный состав активного ила (при высоких концентрациях О 2 не развиваются ниточные бактерии)
повышается содержание О 2 в очищенной воде, что способствует ее дальнейшей доочистке
избежать неприятных запахов, т. к. окситенки – закрытые герметичные аппараты
капитальные затраты ниже (в случае, если О 2 – отход производства)

Конструкции окситенков:

1. комбинированные (реакторы-смесители)

2. секционные окситенки – вытеснители с отдельным вторичным отстойником.

Основная реакция:

СО 2 +4Н 2 А СН 4 +4А+2Н 2 О

Н 2 А – органическое вещество, содержащее Н

5АН 2 +SО 4 2- 5А+Н 2 S+4Н 2 О

Денитрификация:

6АН 2 +2nО 3 - 6А+6Н 2 О+n 2 (nО 3)

Брожение осуществляют в метантенках - аппарат, герметично закрытый, оборудованный приспособлениями для ввода несброженного и вывода сброженного осадка. (рис.54)

Перед подачей осадок должен быть обезвожен.

Параметры анаэробного сбраживания :

Температура, регулирующая интенсивность процесса

Степень перемешивания.

Сбраживание в мезофильных (30 –35 0 С) и термофильных (50 - 55 0 С) условиях.

Степень распада органических веществ 40%.

Степень распада органических веществ может повыситься за счет поддержания:

высокой температуры
концентрации беззольного вещества > 15г/л
интенсивного перемешивания
рН=6,8-7,2

присутствие солей тяжелых металлов
избыток nН 4
присутствие сульфидов и некоторых др.

Брожение ведут в 2 стадии, при этом часть осадка из второго метантенка возвращают в первый, в первом – хорошее перемешивание.

Выделяющийся газ: 63 – 65% СН 4 , 32 - 34% СО 2 , теплотворная способность 23 МДж/кг снижают в топках паровых котловиспользуют для нагрева осадков в метантенках и для других целей.

Использование микроорганизмов (бактерий, водорослей) от примесей является основой биохимического метода отчистки.

В результате своей жизнедеятельности микроорганизмы используют органические вещества в качестве питательной среды, при этом происходит деградация органики.

Для эффективного проведения биохимического очищения сточных вод важно соблюдать следующие условия:

Температурный режим - от +20 до +30оС;
. оптимальная кислотность среды - pH от 6,5 до 7,5;
. поступление достаточного количества кислорода, что значительно улучшает процесс разложения органических веществ микроорганизмами;
. предварительное удаление (уменьшение концентрации) токсичных веществ, оказывающих губительное действие на микроорганизмы.

Биохимическую очистку воды проводят с использованием следующих методов:

Поля фильтрации. Сточными водами периодически максимально заполняют огороженные участки земли. Далее вода фильтруется естественным образом проходя через почвенные поры. Примеси органических веществ задерживаются почвой и подвергаются разложению бактериями, в то время как очищенная вода собирается дренажной системой.
. Поля орошения - это специально выделенные участки земли, на которых происходит выращивание технических культур растений, и в тоже время очищение используемых для полива сточных вод. Отчистка от загрязнений происходит за счет естественных процессов, происходящих в почве. В результате разложения органических веществ в процессе жизнедеятельности микроорганизмов повышается плодородие почвы. 1 гектар полей орошения может принять до 50 кубометров сточных вод в сутки.
. Аэротенки - это искусственные резервуары, в которые загружают сточные воды, активный ил и обеспечивают доступ кислорода. Очищение обеспечивает рециркулируемый активный ил, который представляет собой специальный набор бактерий и простейших, способствующих максимально эффективному очищению.
. Биофильтры - очистительные сооружения, в которых находится специальный загрузочный материал (щебень, галька, керамзит, пластмасса). До начала очистительного процесса на поверхности загрузочного материала выращивают микроорганизмы, которые формируют биологическую пленку. Проходя через биофильтр, примеси сточных вод остаются на загрузочном материале, где происходит их разложение микроорганизмами биологической пленки. Вода в биофильтрах может подвергаться дополнительной аэрации.

Основным преимуществом биохимического метода отчистки является получение на выходе максимально чистой воды. Кроме того, в процессе отчистки не образуется никаких отходов, требующих отдельной утилизации.
Реагентный метод очистки сточных вод

Сутью реагентного метода очистки является использование химических реакций для инактивации токсических веществ, например за счет выпадения последних в нерастворимый осадок, который в последствии удаляют механически.

В рамках этого метода применяют:

Нейтрализацию, которая эффективно отчищает от загрязнения кислотами и щелочами;
. окислительно-восстановительные реакции;
. комплексообразование.

БИОХИМИЧЕСКАЯ ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД - (биологическая очистка) - основной способ очистки сточных вод, содержащих загрязнения органического происхождения, заключающийся в минерализзции этих загрязненвй вследствие жизнедеятельности микроорганизмов. В процессе дыхания микробов органические вещества окисляются и освобождается энергии, необходимая для жизненных функций.

Часть энергии идет на процесс синтеза клеточного вещества, т. е. на увеличение массы бактерий, количества активного ила и биологической пленки в очистных сооружениях.

В минерализации органических соединений сточных вод участвуют бактерии, которые по своему отношению к кислороду разбиваются на 2 группы: аэробные (использующие при дыхании растворенный в воде кислород) в анаэробные (развивающиеся в отсутствии свободного кислорода).
Необходимыми условиями для жизнедеятельности организмов, способствующих очистке, и эффективного использования аэробных очистных сооружений являются:

Наличие в сточных водах органических веществ, способных окисляться биохимически; непрерывное снабжение сооружений кислородом в достаточном количестве; активная реакция очищаемой воды (в пределах 7-8,5 рН); температура воды не ниже 10° и не выше 30°; наличие биогенных элементов - азота, фосфора, калия в необходимых количествах; содержание минеральных солей и воде не выше 10 г/л; отсутствие токсических веществ в концентрациях, ядовито действующих на микроорганизмы.

Биохимическая очистка сточных вод протекает в две одновременно начинающиеся фазы: сорбция поверхностью тел бактерий растворенных органических веществ и коллоидов; окисление и минерализация растворенных и адсорбированных органических веществ микробами.
Для биохимической очистки бытовых в промышленных сточных вод применяются следующие очистные сооружения: аэробные - биологические пруды, поля орошения, поля фильтрации (см. Поля орошения и фильтрации), биофильтры, аэрофильтры и аэротенки; анаэробные - септики, двухъярусные отстойники, метантенки. Выбор типа сооружений определяется характером и количеством сточных вод, местными условиями, требованиями к качеству очищенной воды, наличием свободных земельных площадей и т. д.

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

Биохимическая очистка фекально-хозяйственных сточных вод достаточно хорошо изучена, разработаны методы расчета очистных сооружений. При очистке производственных сточных вод, ввиду их большого разнообразия, расчетные параметры очистных сооружений устанавливаются на основании результатов лабораторных опытов.

Источник: "Энциклопедия современной техники. Строительство." М., 1964

Популярные статьи

Потолок - украшение дома

Недостатки потолка практически невозможно скрыть, ведь там нет мебели и ковров. Существует огромное количество видов отделки потолка, которые способны удовлетворить не только требования наиболее щепетильного клиента, но и внести определенную изюминку в интерьер Вашей квартиры...

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

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

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

Аэробные (использующие при дыхании растворенный в воде кислород);

Анаэробные (развивающиеся в отсутствии свободного кислорода).

Аэробный процесс

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

Анаэробный процесс

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

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

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

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

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

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

Наличие в сточных водах органических веществ, способных окисляться биохимически;

Непрерывное снабжение сооружений кислородом в достаточном количестве;

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

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

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

Отсутствие токсических веществ в концентрациях, ядовито действующих на микроорганизмы.

Биохимическая очистка сточных вод протекает в две одновременно начинающиеся фазы:

Сорбция поверхностью тел бактерий растворенных органических веществ и коллоидов;

Окисление и минерализация растворенных и адсорбированных органических веществ микробами.

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

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

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

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

Аэробная очистка

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

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

Анаэробная очистка

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

В составе любых сточных вод присутствуют компоненты органического и неорганического происхождения. Если от неорганических крупных и плотных включений легко избавиться методами механической фильтрации, то от сложных органических составляющих, присутствующих в воде в виде взвеси избавиться таким способом не получится. Для этого понадобится биохимическая очистка сточных вод. Данная методика не менее эффективная и не такая дорогостоящая, как искусственные методы очищения. Кроме того, такой способ очистки не требует выполнения сложного процесса утилизации используемых реагентов.

Биохимический способ очистки основан на использовании специальных бактерий, которые в ходе своей жизнедеятельности расщепляют сложные органические соединения на более простые элементы – воду, углекислый газ и минеральный осадок.

Эти бактерии постоянно присутствуют в почве и воде, где они способствуют естественному очищению почвы и воды. Но поскольку их концентрация невысока, процессы естественного очищения протекают довольно медленно.

В очистных сооружениях, где применяется способ биохимической очистки, присутствуют огромные колонии бактерий, участвующие в переработке стоков. При этом в этих сооружениях создаются благоприятные условия для жизнедеятельности микроорганизмов, что позволяет значительно ускорить процессы очищения воды в сооружении в сравнении с естественным очищением в природе.

Как правило, при биохимической очистке используется один из двух видов бактерий либо их комбинация:

Аэробные микроорганизмы перерабатывают сложные органические соединения. В результате окисления они расщепляются на воду, минеральный осадок и углекислый газ. Главная особенность этих бактерий в том, что они нуждаются в кислороде, поэтому конструкции с их использованием оборудуются аэраторами и компрессорами.
Анаэробные микроорганизмы в небольшом количестве всегда присутствуют в стоках. Эти бактерии не нуждаются в кислороде. Однако им нужен углекислый газ и нитраты, чтобы вести свою жизнедеятельность. Эти организмы в процессе жизни выделяют метан, поэтому в сооружении необходимо использовать систему вентиляции.

Способы биохимической очистки

Сегодня используются следующие биохимические методы очистки сточных вод:

Биологические пруды.
Конструкции с использованием аэробных методов очистки – аэротенки и биофильтры.
Очистные устройства с анаэробным разложением (септики, отстойники и метантенки).

Биопруды

Это искусственные водоёмы небольшой глубины (0,5-1 м), в которых стоки проходят процессы, очень напоминающие природное самоочищение. Эти пруды хорошо прогреваются солнцем, поэтому в них создаются благоприятные условия для жизни бактерий.

Самый высокий санитарный эффект прудов достигается в тёплое время года. Так, колонии кишечной палочки уничтожаются на 99 %, вредоносные микроорганизмы кишечной группы полностью истребляются, окисляемость среды снижается на 90 процентов, а концентрация аммонийного и органического азота уменьшается на 97 %.

Важно: такой способ очистки можно использовать и зимой. Пруды могут функционировать под слоем льда. Только с него нужно обязательно счищать снег, чтобы к бактериям поступал солнечный свет.

Биологические пруды бывают нескольких видов:

Проточные водоёмы , в которых стоки разбавляются речной водой. После отстойника стоки смешиваются с водой в соотношении 1 к 3-5. Здесь жидкость очищается на протяжении 14-21 дня. Пруд подходит для разведения рыбы и выращивания уток. Недостаток состоит в необходимости сооружения отстойника, потребности в речной воде.
Проточные пруды , в которых стоки не разбавляются речной водой. Этот способ очистки предусматривает прохождение сточной водой каскада из 4-5 водоёмов. В первом пруде должна быть преграда для сдерживания твёрдого осадка, а последний пруд годится для разведения рыбы.
Водоёмы для доочистки стоков используются на станциях биологической очистки, где не удаётся переработать большие объёмы стоков или требуется добиться высокой степени очищения. Обычно вся система состоит из 2-3 прудов, в которых тоже можно разводить рыбу.
Анаэробные пруды достигают нескольких метров в глубину. Здесь используются анаэробные способы очистки. Главными недостатками таких прудов является то, что в окружающую среду постоянно выделяется метан, также патогенные бактерии могут попасть в грунтовые воды.
Контактные водоёмы . Принцип очистки здесь основан на том, что в стоячей воде процессы биохимического окисления протекают намного быстрее. Система состоит из серии параллельно расположенных карт. Вода переходит из одного водоёма в другой каждый день. Процесс полной очистки выполняется за 5-10 дней.

Станции очистки с аэробным разложением

К таким сооружениям относятся биофильтры и аэротенки. Принцип работы биофильтра основан на том, что загрязнённые воды сначала проходят стадию механической очистки. Через некоторое время начинается обрастание загрузки (части биофильтра) биологической плёнкой. Этот процесс протекает благодаря адсорбции микроорганизмов из стоков. Только после этого начинаются процессы биохимического окисления органики.

Важно: главным условием выполнения эффективной очистки является наличие хорошей аэрации.

Биофильтр – это конструкция, заполненная крупнозернистым материалом, не поддающимся разбуханию (шлаком, галькой, щебёнкой). Поверхность этого материала орошается стоками через каждые 10-15 минут. Жидкость, прошедшая фильтр, проходит через дренажные отверстия и стекает в лотки. Аэрация биологического фильтра может быть искусственной или естественной. Искусственные способы аэрации позволяют значительно ускорить процессы биологического окисления.

Аэротенк – это очистные сооружения, в которых используются принципы естественного биологического очищения сточных вод . Однако интенсивность этих процессов намного выше. Аэрация стоков здесь выполняется посредством нагнетания воздуха при помощи аэраторов и компрессоров. Здесь функции биологической плёнки выполняет активный ил – это особые хлопья, которые состоят из взвеси микроорганизмов.

Принципы очистки в таком сооружения выглядят следующим образом:

Стоки, перемешанные с активным илом, попадают в длинный резервуар и продвигаются по нему.
Чтобы поддерживать ил во взвешенном виде и ускорять окислительные процессы, в систему постоянно нагнетается под давлением воздух.
По завершении окислительного процесса смесь ила со стоками попадает во вторичный отстойник, где происходит отделение активного ила от очищенных вод. Активный ил при помощи эрлифта перекачивается обратно в аэротенк.
После обеззараживания воду можно сливать в водоёмы.

Важно: такой способ очистки приводит к образованию большого количества активного ила, поэтому периодически его необходимо извлекать. Полученный активный ил можно использовать для удобрения полей.

Активный ил – это биомасса, состоящая из бактерий, простейших, микроорганизмов-нитрификаторов и денитрификаторов, а также грибов. В составе отсутствуют представители группы водорослей. Активный ил прекрасно адсорбирует бактерии группы кишечной палочки.

Станции очистки с анаэробным разложением

Осадок сточных вод на 95 процентов состоит из воды, на 5 – из углеводов, жиров и белков. Для обеззараживания осадка на очистных сооружениях также используются биохимические методы. Они позволяют изменить структуру осадка, в результате чего он становится быстро подсыхающим, легко поддающимся утилизации веществом.

Процессы анаэробного брожения в естественных условиях протекают с выделением метана, воды и углекислого газа. Существуют следующие виды очистных сооружений, в которых используются процессы анаэробного разложения:

Септики – это сооружения, в которых объединяются процессы сбраживания и образования осадка. Эти конструкции подходят для обслуживания небольших объектов – загородных домов и дач. Очистка септика может делаться вручную, поскольку габариты сооружения невелики. Обычно эта процедура выполняется 1-2 раза в год. Сброженный осадок из септика нельзя использовать в качестве удобрения, поскольку он представляет угрозу для окружающей среды. Перед утилизацией осадка его необходимо обеззаразить, подогрев до 60 градусов. Септики могут состоять из 1, 2 или 3-х камер. Эти конструкции подходят для предварительной очистки стоков, после чего они нуждаются в доочистке на полях фильтрации, в фильтрационных колодцах или канавах.
Метантенки . Здесь сбраживание осадка выполняется при искусственном подогреве. Сюда стоки попадают после первичного отстойника. Метантенк – это закрытый резервуар, в котором выполняется анаэробная переработка осадка. В таких конструкциях новый осадок постоянно перемешивается со зрелым. Эффективность работы всей конструкции зависит от количества зрелого осадка. Чем его больше, тем лучше.
Двухъярусные отстойники отличаются от септиков тем, что в них устранены многие их недостатки. Так, в жидкие стоки не могут попадать газы, выделяющиеся при разложении осадка. В этих конструкциях процесс брожения может длиться от 1 до 6 месяцев. При этом над двухъярусным отстойником стоит уловитель газов. Сброженный осадок подаётся для высушивания на иловые плантации. Разложение органики в отстойнике протекает намного быстрее и эффективнее, чем в септике. Такие конструкции не используют в средних широтах, поскольку зимой сбраживание осадка невозможно выполнить.