Аэробные процессы биохимической очистки сточных вод

Экологические проблемы промышленной биотехнологии

 

 

1.Общие показатели загрязненности сточных вод.

2.Аэробные процессы биохимической очистки сточных вод

3.Анаэробные процессы переработки отходов

Биотехнология, как всякое направление промышленной деятельности человека, создает определенные экологические проблемы. Однако тот факт, что период резкого расширения промышленного использования микроорганизмов совпал по времени с периодом пристального внимания человека к экологии и охране окружающей среды, а также ряд принципиальных особенностей промышленной биотехнологии, обсуждаемых ниже, позволяют отнести микробиологическую промышленность к одной из наиболее экологически безопасных отраслей народного хозяйства, которая, возможно, станет первым типом производств, действительно не имеющих отходов.

Экологические проблемы промышленной биотехнологии определяются тем, что эта область производства связана с использованием огромных масс технологической воды и воздуха, т. е. потенциально могла бы стать источником большого количества воздушных и водных выбросов. Экологическая опасность этих выбросов определяется, в первую очередь и почти исключительно, присутствием в них живых или убитых клеток микроорганизмов. Хотя в биотехнологии, дело имеют только с непатогенными формами микроорганизмов, но даже их попадание в окружающую среду может, в принципе, вызвать в ней нежелательные и неконтролируемые изменения.

Следствием выброса живых клеток продуцентов из аппаратов, где протекает микробиологический синтез или идет переработка его продуктов, может быть изменение структуры экологических ниш в окружающей заводы почве, воде и т. д. и как результат — нарушение состава сообществ микроорганизмов, взаимодействующих в этих нишах, а значит, и иная роль в круговороте веществ в природе.

При рассмотрении связанных с биотехнологией экологических проблем необходимо учитывать, что важной составной частью современной биотехнологии является очистка воды от загрязнений и утилизация всевозможных отходов агропромышленного комплекса. Несмотря на постоянное совершенствование методов химической очистки сточных вод, абсолютно исключена возможность слива в водоемы промышленных и сельскохозяйственных сточных вод без их предварительной биологической очистки. Методы такой очистки основаны на использовании специфических биологических сообществ, носящих общее название активного ила, для глубокой утилизации как органических, так и неорганических загрязнений, оставшихся в воде после осуществления всех других возможных вариантов ее очистки.

Необходимо подчеркнуть, что применение живого консорциума— активного ила — для удаления примесей из воды основано на уникальной способности микроорганизмов утилизировать не только те субстраты, которые для них оптимальны и таким образом привычны, но и огромное количество других веществ, в том числе, что особенно важно, синтетических, созданных человеком искусственно и поэтому отсутствовавших ранее в природе.

В технологической воде любого биотехнологического предприятия не содержится ничего, кроме клеток продуцента и продуктов метаболизма. Они легко утилизируются активным илом, поскольку в природе существует много видов одноклеточных, перерабатывающих подобные отходы.

Таким образом, создание метаболически замкнутых биотехнологических процессов в сочетании с полной очисткой газовых выбросов от биологического органического материала позволяет создать экологически чистые, действительно безотходные технологические процессы микробиологического синтеза.

 

 

Общие показатели загрязненности сточных вод.

Под качеством воды понимают совокупность ее характеристик и свойств, обусловленных природой и концентрацией содержащихся в ней примесей. В связи с невозможностью индивидуального аналитического определения всех присутствующих в сточной воде соединений прибегают к суммарной оценке их содержания. К общим показателям загрязненности сточных вод следует отнести те, которые характеризуют общие свойства воды — органолептические, физико-химические, содержание нерастворимых примесей (содержание взвешенных веществ или зольность), концентрацию растворенных веществ (общее содержание органических и неорганических примесей, «органический» углерод), перманганатную и дихроматную окисляемость (химическое потребление кислорода — ХПК), биохимическое потребление кислорода (БПК). Совокупность этих показателей позволяет оценить общее состояние сточных вод и предложить наиболее эффективный способ их очистки.

Часто в сточных водах могут присутствовать химические соединения, которые даже в незначительных количествах сильно влияют как на свойства- воды, так и на возможность очистки данного вида стоков. В таких случаях необходим более детальный анализ состава сточной воды с выяснением не только концентраций тех или иных соединений, но и более полное определение качественного и количественного состава загрязнений.

Определение таких показателей, как органолептические (цвет, вид, запах, прозрачность, мутность), оптическая плотность, цветность, рН, температура и т. д. не вызывает каких-либо трудностей экспериментального и методического характера. Значительно сложнее определить общее содержание органических веществ  в сточной воде, которое необходимо знать для контроля работы очистных сооружений, повторного использования сточных вод в технологических процессах, выбора метода очистки и доочистки, определения окончания процесса очистки, а также для оценки возможности сброса воды в водоемы.

Из большого числа способов, применяемых для определения содержания органических веществ, более подробно будут описаны два, наиболее широко используемые при проведении процессов биологической очистки.

Химическое потребление кислорода (ХПК) - Методика основана на окислении веществ, присутствующих в сточных водах, 0,25%-ным раствором дихромата калия при кипячении пробы в течение 2 ч в 50%-ном (по объему) растворе серной кислоты. Для полноты окисления органических веществ применяется катализатор — сульфат серебра. Многочисленные исследования показали, что большинство органических соединений в таких условиях окисляются до Н₂О и СО₂, однако ряд соединений (пиридин, бензол и его гомологи, нафталин) в этом режиме окисляется не полностью. Тем не менее, дихроматный способ имеет широкое применение из-за его простоты и возможности автоматизации при проведении эксперимента.

Биохимическое потребление кислорода (БПК). Измеряется количеством кислорода, которое расходуется микроорганизмами при аэробном биологическом разложении веществ, содержащихся в сточных водах при стандартных условиях за определенный интервал времени. Определение БПК требует применения специальной аппаратуры; при манометрических способах измеряется уменьшение давления в аппарате за счет потребления кислорода. Исследования проводят в аппарате Варбурга или в специально разработанном респирометре Измерения БПК выполняют следующим образом: в герметичный ферментер помещается определенное количество исследуемой сточной воды, которую засевают микроорганизмами; в процессе культивирования регистрируется изменение количества кислорода (или кислорода воздуха), пошедшего на окисление соединения, присутствующего в сточных водах..

Биохимические способы очистки относятся к процессам биотехнологии, они получили широкое распространение в тех отраслях промышленности, где в сточных водах содержится значительное количество разных загрязнений, каждое из которых присутствует в небольших концентрациях. Главным действующим началом биохимической очистки являются микроорганизмы, использующие в качестве питательных веществ и источников энергии органические и неорганические соединения, содержащиеся в сточных водах. Микроорганизмы разрушают эти соединения до диоксида углерода и воды и создают в процессе минерализации соли азотистой и азотной кислот.

Широкое использование биохимических способов очистки сточных вод обусловлено следующими достоинствами метода: а) возможностью удаления из сточной воды широкого спектра органических загрязнений; б) самоподстраиваемостью системы к изменению спектра и концентраций органических загрязнений; в) простотой аппаратурного оформления; г) относительно невысокими эксплуатационными затратами. К недостаткам следует отнести: а) высокие капитальные затраты, идущие на сооружение очистных систем; б) необходимость строгого соблюдения технологических режимов очистки; в) токсичность некоторых органических соединений для биоценоза активного ила; г) необходимость предварительного разбавления высококонцентрированных токсичных стоков, что приводит к увеличению потока сточной воды.

В зависимости от того, в каких условиях — аэробных или анаэробных — проводится обработка сточных вод, разработаны два принципиально различных способа.

 

Аэробные процессы биохимической очистки сточных вод

Существуют две большие группы аэробных процессов биоочистки — экстенсивные и интенсивные. К экстенсивным относятся методы, непосредственно не связанные с управляемым культивированием микроорганизмов — это поля орошения, поля фильтрации, биопруды. Микроорганизмы, находящиеся в верхних слоях почвы полей орошения и фильтрации или воде биопрудов, образуют ценозы, за счет деятельности которых и происходит очистка воды.

В основе интенсивных способов лежит деятельность активного ила или биопленки, т.е. естественно возникшего биоценоза, формирующегося на каждом конкретном производстве в зависимости от состава сточных вод и выбранного режима очистки. Формирование биоценоза — процесс достаточно длительный и идущий постоянно в ходе очистки сточной воды в промышленных аппаратах — аэротенках или биофильтрах.

Активный ил представляет собой темно-коричневые хлопья, размером до нескольких сотен микрометров; он состоит на 70% из живых организмов и около 30% составляют твердые частицы неорганической природы. Живые организмы вместе с твердым носителем, к которому они прикреплены, образуют зооглей — симбиоз популяций организмов, покрытый общей слизистой оболочкой.

Микроорганизмы, выделенные из активного ила, относятся к различным родам: Actinomyces, Arthrobacter, Bacillus, Bacterium, Corynobacterium, Desulfotomaculum, Micococcus, Pseudomonas, Sarcina и др.

Наиболее многочисленны бактерии рода Pseudomonas. Они окисляют спирты, жирные кислоты, парафины, ароматические углеводороды, углеводы и другие соединения. Широко представлены в активном иле и бактерии рода Bacterium (выделено более 30 видов), которые осуществляют деградацию нефти, парафинов, нафтенов, фенолов, альдегидов и жирных кислот. Алифатические углеводороды окисляются представителями рода Bacillus.

При изменении состава сточной воды может увеличиться численность одного из видов микроорганизмов, однако другие культуры, проигрывающие в конкурентной борьбе за субстрат, все равно остаются в составе биоценоза. На формирование ценозов активного ила могут оказывать влияние сезонные колебания температуры (ведущие к преобладанию психрофильних форм микроорганизмов в зимний период), обеспеченность кислородом и присутствие в сточных водах минеральных компонентов. Существенная роль в создании и функционировании консорциума клеток принадлежит простейшим. В активных илах встречаются представители четырех классов простейших: саркодовые (Sarcodina), жгутиковые инфузории (Mastigophora), реснитчатые инфузории (Ciliata), сосущие инфузории (Suctoria).

В технологическом аспекте для образования естественных ценозов систем очистки можно употреблять активный ил с уже работающих очистных сооружений с аналогичным спектром загрязнений. При отсутствии действующих систем формирование активного ила следует проводить с применением сточной воды, значительно разбавленной водами местных хозяйственно-бытовых предприятий или водой из реки, при этом накопление естественного ценоза происходит при постоянно увеличивающейся концентрации основных загрязнений.

Многие химические соединения могут оказывать токсическое воздействие на микроорганизмы активного ила, нарушая их жизнедеятельность. Значительные концентрации фенола, формальдегида и других антисептиков в сточных водах денатурируют белки протоплазмы, приводят к разрушению клеточной стенки. Особенно токсичны соли тяжелых металлов; по степени токсичности их можно расположить в следующем порядке: Sb>Ag>Cu>Hg>Co>Ni>Pb>Cr>Cd> >Zn>Fe.

Отрицательное воздействие на развитие активного ила оказывает и повышенная концентрация неорганических солей в сточных водах. Например, концентрация хлоридов до 30 г/л резко снижает качество очистки сточной воды.

Эффективного управления процессом биологической очистки можно достичь лишь при правильном подборе параметров процесса, обеспечивающих необходимую полноту извлечения загрязнений. Основными параметрами, влияющими на биологическую очистку, являются: температура, рН, концентрация растворенного кислорода, уровень перемешивания, концентрация и возраст циркулирующего в очистных системах активного ила, наличие в воде токсичных примесей.

Температура. Большинство очистных сооружений аэробного типа работают под открытым небом и не предусматривают системы регулирования температуры. Изменение температуры в них происходит циклически, в зависимости от времени года и климатических условий температура может колебаться от 2—5 до 25—35°С. Эти колебания в первую очередь влияют на состав биологического ценоза — с понижением температуры до 10—15°С происходит преимущественное развитие психрофильных форм микроорганизмов, снижается общее количество представителей микрофлоры и микрофауны. Скорость процессов очистки также существенно уменьшается: снижение температуры от 20 до 6°С приводит к падению скорости очистки в 2 раза; одновременно с этим снижается и флокулирующая способность микроорганизмов, что приводит к вымыванию активного ила из систем вторичных отстойников. Для интенсификации работы очистных сооружений в зимнее время необходимо повысить концентрацию активного ила в сточных водах, а также увеличить время пребывания сточных вод в системе очистки.

Изменение температуры от 20 до 37°С повышает скорость очистки в 2—3 раза, в биоценозе преимущественно развиваются мезофильные и термофильные формы микроорганизмов, возрастает и полнота очистки. Однако излишний нагрев очистных сооружений приводит не только к интенсификации процессов очистки, но и к одновременному снижению растворимости кислорода в воде, что заставляет интенсифицировать процесс аэрации. Снижение температуры, наоборот, позволяет несколько уменьшить аэрирование сточных вод.

Значение рН. Бактериальные формы лучше растут в нейтральной или слабо щелочной среде, для большинства грибов и дрожжей оптимальное значение рН 5,0—6,5. Так как в ценозах активного ила в основном присутствуют бактерии, то соответственно и значение рН в воде очистных сооружений должно быть близким к оптимальному для этой группы микроорганизмов.

Наилучшим значением рН для систем биологической очистки считается область от 5,5 до 8,5, увеличение или снижение концентрации ионов водорода приводит к резкому снижению эффективности работы очистных сооружений. Однако, как правило, при проведении биологической очистки не регулируется рН. Это объясняется, в первую очередь, большими объемами очищаемой воды и тем, что микроорганизмы способны к авто регулированию рН. При создании систем биологической очистки рекомендуется использовать сточные воды с различными значениями рН так, чтобы после их смешения суммарное значение рН оказалось бы в области, близкой к оптимуму.

Концентрация растворенного кислорода. Скорость растворения кислорода в сточной воде не должна быть ниже скорости его потребления микроорганизмами активного ила. Снижение концентрации растворенного кислорода ниже некоторого предельного значения приводит к снижению скорости роста ила и, следовательно, к снижению скорости очистки. При концентрации растворенного кислорода до 1 мг/л не происходит существенного изменения скорости очистки, однако при концентрации до 0,5 мг/л процесс очистки ухудшается. Поэтому рекомендуется поддерживать количество растворенного кислорода в интервале от 1 до 5 мг/л.

Уменьшение концентрации растворенного кислорода в воде приводит не только к ухудшению потребления органических загрязнений, но и вызывает накопление продуктов жизнедеятельности микроорганизмов. Перемешивание сточной воды и активного ила в аэратенке. Этот процесс обеспечивает поддержание активного ила во взвешенном состоянии, создает благоприятные условия для массопереноса компонента питания и кислорода. Интенсификация перемешивания (до известных пределов) приводит к разрушению слишком крупных хлопьев активного ила на более мелкие, что в целом способствует увеличению поверхности контакта микроорганизмов со средой. При этом уменьшение размеров хлопьев не сказывается отрицательно на скорости осаждения, хотя количество свободных клеток и простейших становится меньше.

Биогенные элементы. Кроме углерода микроорганизмам для нормального функционирования необходимы азот и фосфор. Оба этих элемента являются составными частями при построении клеточного материала и играют существенную роль в энергетических процессах, протекающих в клетках. Недостаток азота или фосфора резко снижает эффективность процесса очистки и так же, как и дефицит кислорода, приводит к накоплению нитчатых форм бактерий. Количество азота и фосфора, необходимое микроорганизмам для нормального функционирования, определяется видом органических соединений, присутствующих в сточных водах. Наряду с азотом и фосфором микроорганизмы нуждаются в других биогенных элементах, которые, как правило, присутствуют в сточных водах в достаточном количестве; к ним относятся магний, калий, натрий и др.

В случае нехватки биогенных элементов в очищаемых сточных водах необходимо добавлять различные водорастворимые соли, содержащие эти элементы. Для этих целей применяют сульфат и нитрат аммония, мочевину, аммиачную воду, аммофос, суперфосфат, ортофосфорную кислоту и т. д. Соли, используемые в качестве добавок биогенных элементов, не должны образовывать между собой нерастворимые в воде соединения и не должны резко менять значение рН. В качестве добавок биогенных элементов при очистке производственных стоков можно использовать также фекальные сточные воды, содержащие азот и фосфор в большом избытке, при этом снижается концентрация синтетических органических загрязнений, что целесообразно, если они являются ингибиторами роста активного ила.

Доза и возраст активного ила. Эффективность работы очистных сооружений зависит не только от условий обитания микроорганизмов, но и от их концентрации в сточных водах и от возраста активного ила. В обычных очистных сооружениях типа аэротенка текущая концентрация активного ила не превышает 2—4 г/л. Увеличение концентрации активного ила в сточной воде приводит к росту скорости очистки. Под возрастом активного ила понимают время его рециркуляции в системе очистных сооружений.

Уменьшение среднего возраста активного ила в очистных сооружениях приводит к возрастанию эффективности их работы: «молодой» активный ил более рыхлый, он имеет хлопья меньшего размера, более низкое содержание простейших; одновременно с этим осаждаемость «молодого» активного ила в системах вторичных отстойников несколько лучше.

Техническая реализация аэрбных способов очистки. Аэробный способ очистки сточной воды основан на использовании системы аппаратов аэротенк — вторичный отстойник. Аэротенк представляет собой открытое железобетонное сооружение, через которое пропускается сточная вода, содержащая органические загрязнения и активный ил. Суспензии ила в сточной воде на протяжении всего времени нахождения в аэротенке подвергается аэрации воздухом. В зависимости от способа смешения суспензии активного ила с очищаемой водой и гидродинамического режима движения суспензии активного ила аэротенки делятся на аэротенк- вытеснитель, аэротенк-смеситель и аэротенк сложного типа. В аэротенке-вытеснителе свежая порция активного ила и очищаемая вода одновременно подаются в аппарат и далее происходит движение суспензии активного ила по аппарату в режиме, приближающемся к идеальному вытеснению. В аэротенке-смесителе активный ил и очищаемая сточная вода поступают по всей длине аппарата одновременно и в аппарате создается режим, близкий к полному смешению, одновременно из аппарата отводится суспензия активного ила. В аппаратах сложного типа на разных этапах очистки одновременно реализуются и режим смешения, и режим вытеснения. Различия в гидродинамических режимах аэротенков в первую очередь влияют на физиологическое состояние популяции микроорганизмов и, следовательно, на скорость и глубину потребления субстрата, которым являются загрязнения, из сточной воды.

Схемы аэротенков:

а) -вытеснения; б) - смешения, в) —с рассредоточенной подачей сточной воды и с регенератором активного ила.

Поступивший из вторичного отстойника активный ил имеет определенный исходный состав популяции; в начале, после контакта с очищаемой водой, развиваются те формы микроорганизмов, которые потребляют наиболее легко усвояемые компоненты загрязнения. В результате концентрация загрязнений в сточной воде по мере ее продвижения по аппарату снижается и одновременно в активном иле увеличивается концентрация соответствующих клеток.

К достоинствам этого аппаратурного решения следует отнести то, что такой процесс при его достаточной длительности позво­ляет практически полностью извлечь все загрязнения из сточной воды. К недостаткам относится то, что микроорганизмы активного ила в начальный момент очистки контактирует со сточной водой, содержащей максимальное количество органических за­грязнений. Это заставляет использовать сточную воду с невысо­кими начальными концентрациями загрязнений (как правило, ХПК не должно превышать 200—400 млг/л). По этой же причине очистная система крайне чувствительна к резким увеличениям или колебаниям начальной концентрации загрязнений.

Этих недостатков лишен аэротенк-смеситель, поскольку сточ­ная вода, попадая в аэротенк, практически мгновенно распре­деляется по объему, при этом концентрация загрязнений снижа­ется до стационарных значений. Развитие популяции микро­организмов в аэротенке-смесителе происходит по тем же законам, что и развитие микроорганизмов в хемостате. В данном слу­чае активный ил не ингибируется повышенными концентрациями загрязнений, но и остаточная концентрация вредных веществ всегда будет оставаться на каком-то определенном уровне. Все микроорганизмы, находящиеся в аэротенке-смесителе, работаю­щем в стационарном режиме, находятся в фазе лимитирован­ного роста.

В аэротенках сложного типа сочетаются оба способа прове­дения процесса. В первой зоне аппарата, где происходит кон­такт высококонцентрированных стоков с активным илом, доби­ваются режима, приближающегося к полному смешению, во вто­рой части — для достижения большей полноты извлечения загрязнений из сточной воды — создают режим потока, прибли­жающийся к идеальному вытеснению. К аппаратам такого типа относится, в частности, аэротенк с рассредоточенной подачей сточной воды и сосредоточенной подачей активного ила.

Технологические схемы очистки сточной воды с использова­нием системы аэротенк — вторичной отстойник могут быть раз­личными, но многие их элементы являются обязательными. Вы­бор конкретной схемы определяется рядом факторов: расходом сточной воды, составом и концентрацией загрязнений, требова­ниями к качеству очищенной воды и т. п.

Как правило, схема аэробной биологической очистки вклю­чает в себя следующие стадии: а) усреднение и осветвление сточ­ных вод от механических примесей (усреднители, песколовки, отстойники); б) аэробная биологическая очистка осветленных сточных вод (аэротенки, регенераторы активного ила, вторичные отстойники); в) доочистка сточных вод (биологические пруды, фильтровальные станции); г) обработка осадков (иловые пло­щадки, сушилки, печи и т.д.)-

На практике применяются одноступенчатые и многоступенчатые системы биологической очистки. Одноступенчатая схема очистки сточной воды Сточные воды предприятия поступают в усреднитель, где происходит интенсивное перемешивание стоков с различным качественным и количественным составом. Перемешивание, как правило, осуществляется за счет барботажа воздуха. В случае необходимости в усреднитель также подаются биогенные элементы в нужных концентрациях и аммиачная вода для создания определенного значения рН. При концентрации в сточной воде примесей выше предельно допустимой по данным соединениям в усреднитель дополнительно подают биологически очищенную воду. Время пребывания сточной воды в усреднителе определяется эмпириче­ски и, как правило, составляет несколько часов.

При очистке фекальных стоков и отходов нефтепереработки необходимым элементом очистных сооружений является система механической очистки — песколовки и первичные отстойника. В них происходит отделение от очищаемой воды грубых взвесей и нефтепродуктов, образующих пленку на поверхности воды. При очистке стоков химических предприятий с небольшим ко­личеством такого рода загрязнений эта стадия очистки необязательна. Напротив, в некоторых других случаях для интенсификации процессов механической очистки воду перед подачей в первичные отстойники дополнительно аэрируют в предаэраторах.

Стадия собственно биологической очистки происходит в аэротенках, хотя частичное изменение ХПК и БПК наблюдается уже и на предшествующих этапах. К системе биологической очистки относятся не только аэротенк и вторичный отстойник, но и регенератор активного ила, который представляет собой часть аэро-тенка, куда подается только суспензия возвратного активного ила и не подается вода. Интенсивная аэрация суспензии актив­ного ила кислородом в этой зоне приводит к восстановлению его способности сорбировать органические примеси, которые трудно утилизируются микроорганизмами активного ила. Объем регенератора при совмещении его с аэротенком, как правило, не превышает трети объема основного аппарата.

Очищенная вода и активный ил из аэротенка подаются во вторичный отстойник, где происходит отделение активного ила от воды. Часть активного ила вновь возвращается в систему очистки, а избыточный активный ил, образовавшийся в результате роста микроорганизмов, поступает на иловые площадки с последующим вывозом его после обезвоживания на поля. В последнее время разрабатываются и другие способы использования активного ила.

Система более полной биологической доочистки может состоять из множества элементов, которые определяются дальнейшим назначением сточной воды. Возможно применение биологических прудов, где биологически очищенная вода проходит дальнейшее осветление и насыщается кислородом. Часто вода осветляется с помощью различных механических систем, например песчано-гравийных фильтров. В некоторых случаях воду после биологической очистки подвергают реагентной обработке — хлорированию или озонированию.

Общее время пребывания сточной воды в системах биологиче­ской очистки складывается из времени нахождения непосредст­венно в аэротенке и во вторичном отстойнике. Для определения продолжительности этих периодов существует целый ряд эмпири­ческих формул, которые, как правило, не отражают всего много­образия процессов, протекающих в аэротенке. Достаточно хоро­шей математической модели биологической очистки сточной воды пока не создано ввиду сложности симбиотического взаимодейст­вия микроорганизмов активного ила, а также сложности и невоспроизводимости состава сточных вод.

Интенсификацию процессов биологической очистки можно проводить путем аэрации суспензии активного ила чистым кислородом, так как экспериментально было показано, что при проведении большинства аэробных процессов именно этот компонент питания является лимитирующим. Применение это позволяет увеличить эффективность процесса биологической очистки и снизить время пребывания сточной воды в системе. Однако реализация такой схемы ставит вопрос полноты использования кислорода. Для его решения были разработаны аппараты закрытого типа — окситенки, с принудительной аэрацией сточной воды. Отмечено, что одновременно с повышением эффективности применения кислорода происходит избыточное накопление в среде культивирования СО₂, который необходимо периодически отду­вать.

Увеличение скорости окисления органических соединений в системах биологической очистки с использованием чистого кислорода достигается не только за счет создания условий, когда он перестает быть лимитирующим фактором процессов роста, но и за счет увеличения концентраци активного ила в аппарате и интенсификации ферментативных процессов деструкции с учас­тием экзоферментов, находящихся в слизистой оболочке клеток и хлопьев.

Усложнение аппаратурного оформления процесса компенсируется при этом резким сокращением площадей, занимаемых системой водоочистки, что является существенным преимуществом окситенков. В целом схема очистки стоков в окситенках практически не отличается от рассмотренной общей схемы аэробной очистки сточной воды.

Очистка сточной воды с использованием биофильтров. В от­личие от аэротенков в биофильтрах клетки микроорганизмов находятся в неподвижном состоянии, так как прикреплены к по­верхности пористого носителя. Образовавшуюся таким образом биопленку можно отнести к иммобилизованным клеткам. Хотя в этом случае иммобилизована не монокультура, а целый консор­циум, неповторимый по своему качественному и количественному составу и различающийся в зависимости от места его нахожде­ния на поверхности носителя. Это, главным образом, и обуслов­ливает те закономерности, по которым протекает процесс извле­чения загрязнений из сточной воды. Очищаемая вода контакти­рует с неподвижным носителем, на котором иммобилизованы клетки, и за счет их жизнедеятельности происходит снижение концентрации загрязнителя. Существенной проблемой при реали­зации процесса водоочистки с использованием биофильтров яв­ляется то, что проконтролировать содержание кислорода на каж­дом уровне биофильтра не представляется возможным, поэтому нельзя с определенностью говорить о строго аэробном способе очистки.

Преимущество применения биофильтров состоит в том, что формирование конкретного биоценоза приводит к практически полному удалению всех органических примесей. Недостатками этого метода можно считать: нереальность использования стоков с высоким содержанием органических примесей (начальное зна­чение по ХПК не должно превышать 500—550 млг/л, в против­ном случае возможно полное или частичное уничтожение актив­ной пленки); необходимость равномерного орошения поверхности биофильтра сточными водами, подаваемыми с постоянной ско­ростью; сточные воды перед подачей на биофильтры должны быть очищены от взвешенных частиц, в противном случае капил­лярные каналы биофильтра очень быстро забьются и произойдет заиливание.

В качестве загружаемого твердого материала можно исполь­зовать керамику, щебень, гравий, керамзит, металлический или полимерный материал с высокой пористостью. Классификация биофильтров производится в зависимости от способа и вида загрузочного материала и от режима подачи жидкости.

Существенным признаком конструкции является и режим аэрации воды, по которому все биофильтры можно разделить на аппараты с принудительной и естественной циркуляцией. В обоих случаях в биофильтрах наблюдается режим противо­тока воды, которая поступает сверху вниз, и воздуха, который поступает снизу вверх. К сожалению, наличие такого режима не способствует процессам очистки, так как наиболее интенсивно развивающиеся микроорганизмы, потребляющие легкоусвояемые субстраты, контактируют с воздухом, обедненным по кислороду и насыщенным СО₂.

Технологические схемы с использованием биофильтров мало отличаются от схем очистки с применением аэротенков, главное различие заключается в том, что оторвавшиеся частицы микробной пленки после отделения их во вторичном отстойнике не возвращаются обратно в биофильтр, а отводятся на иловые площадки.

Принцип вытеснения жидкости с одновременной фиксацией клеток микроорганизмов в иммобилизованном состоянии положен и в основу работы аэротенков-вытеснителей с применением стеклоершей. Стеклоерши погружают в аэрируемую сточную воду и на их поверхности происходит накопление биоценоза активного ила. Последний при этом так же, как и при работе с биофильт­рами, развивается на каждом участке ершей неодинаково и изме­няется в объеме как по количественному, так и качественному составу.

Существенным отличием системы с иммобилизованными на стеклоершах клетками от биофильтров является то, что в этом случае можно интенсифицировать процесс массопереноса кисло­рода. Предполагается, что такая система найдет широкое приме­нение в очистке локальных стоков, под которыми понимают стоки производств с узким спектром загрязнений. Их целесообразно очищать в самостоятельных биологических системах, не смеши­вая со стоками других производств. Это позволяет получать в биологических системах очистки биоценозы микрооорганизмов, адаптированные именно к данному узкому спектру загрязнений; при этом скорость очистки и ее эффективность резко возрастают.

Несмотря на очевидную необходимость создания интенсивных методов биологической очистки водных выбросов, до сих пор широко применяются и экстенсивные способы. К ним относятся биологические пруды, ноля орошения, поля фильтрации

Пруды с искусственной или естественной аэрацией также относятся к сооружениям биологической очистки, в которых под воздействием биоценоза активного ила происходит окисление органических примесей. Формирование биоценоза происходит при этом в известной мере аналогично формированию их в очистных сооружениях интенсивной очистки, однако во многом их формирование специфично. Состав биоценозов биологических прудов определяется глубиной нахождения данной группы ми­кроорганизмов. Так, в верхних слоях, где насыщение воды кисло­родом максимально, развиваются, в основном, аэробные культу­ры; в придонных слоях преобладают факультативные аэробы, могут здесь развиваться и анаэробные формы микроорганизмов, способные осуществлять процессы метанового брожения или вос­становление сульфатов.

Насыщение воды кислородом происходит, в основном, за счет процессов фотосинтеза, осуществляемых водорослями, из кото­рых особенно широко представлены Chlorelta, Scenedestnus, Ankistrodesmus, встречаются представители эвгленовых, воль-воксовых и др. Помимо водорослей и бактерий в прудах в той или иной степени представлены и микро- и макрофауна: простейшие, черви, коловратки, насекомые и другие ор­ганизмы.

Особую роль играют биопруды в процессах окончательной ' очистки стоков после очистных сооружений, когда остающиеся примеси осложняют процесс дальнейшей утилизации вод. При­менение биологических прудов позволяет практически полностью удалять остаточные количества многих соединений. Использу­ются пруды и непосредственно для очистки без предварительных стадий, причем качество очистки воды и в этом случае очень вы­соко; хорошо удаляются нефтепродукты, фенолы и другие орга­нические соединения из воды.

Существенным недостатком биологических прудов, кроме пол­ной неуправляемости процесса, является то, что скорость окисле­ния органических соединений в них очень незначительна. Это приводит к тому, что время пребывания воды в биологических прудах составляет несколько суток и при очистке только этим способом сточных вод крупнотоннажных производств пришлось бы занимать огромные площади очистными водоемами.

Поля фильтрации и орошения также используются для очист­ки сточных вод, при этом первые служат только для целей очист­ки, на них подается максимально возможное количество жидко­сти. Поля орошения предназначены для выращивания сельско­хозяйственных продуктов, и вода на них подается по мере необ­ходимости.

Процесс самоочищения воды осуществляется в этих случаях за счет жизнедеятельности различных групп почвенных организ­мов — бактерий, грибов, водорослей, простейших, червей и чле­нистоногих; на поверхности почвенных комочков образуется био­логическая пленка.

Решающим фактором, влияющим на формирование почвен­ного биоценоза, является структура почвы. Расположение микро­организмов на поверхности почвенных комочков должно, в принципе, приводить к тому, что максимальное удельное количество микрофлоры будет в тех почвах, размер частиц которых меньше. На практике это не так, уменьшение размера частиц почвы за­трудняет диффузию кислорода из воздуха, а других способов обогащения .среды кислородом нет. Проникновение кислорода в почву ограничивается 20—30 см, поэтому самая интенсивная минерализация органических соединений наблюдается только в поверхностных слоях.

Существенную роль в процессах очистки сточных вод на по­лях фильтрации и орошения играют нитрифицирующие бактерии. В летний период на 1 га площади образуется до 70 кг нитратов, которые с током жидкости поступают в нижние горизонты, где господствуют анаэробные условия. Кислород нитратов у денитри­фицирующих бактерий идет на окисление сохранившихся в воде органических соединений. Хотя дефицит площадей не позволяет в настоящем и будущем широко использовать поля орошения и фильтрации, этот экстенсивный способ очистки сточных вод еще находит применение из-за своей простоты.

---

Дата добавления: 2018-04-04; просмотров: 1848; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!