Биохимические методы очистки сточных вод - файл n1.doc. Сооружения биологической очистки сточных вод нпз Биохимический метод очистки сточных вод

Биологический (биохимический) метод очистки применяют для очистки произ­водственных сточных вод от многих растворенных органических веществ., в том числе и от нефтепродуктов.

Сточные воды, направляемые на биохимическую очистку, характеризуются ве­личиной БПК и ХПК. БПК - это биохимическая потребность в кислороде, использованного при биохимических процессах окисления органи­ческих веществ за определенный промежуток времени (2,5,8,10,20 сут) в мг О 2 на литр сточной воды (или на 1 мг вещества). Например, БПК 5 - биохимическая потреб­ность в кислороде за 5 сут, БПК полн. - полная биохимическая потребность в кислороде до окончания процесса биоокисления.

Процесс биологической очистки основан на способности микроорганизмов ис­пользовать растворенные органические вещества для питания в процессе своей жиз­недеятельности. Контактируя с органическими веществами, микроорганизмы частично разру­шают их, превращая в воду, диоксид углерода, нитрит- и сульфат-ионы. Другая часть вещества идет на образование биомассы. Такое разрушение органических веществ на­зывают биохимическим окислением.

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°С. При аэробной очистке микроорганизмы культивируются в активном иле. Активный ил состоит из живых организмов и твердого субстрата. Живые организмы представляют собой сообщество множества видов микроорганизмов, называемых биоценозом.

Живые орга­низмы представлены скоплениями бактерий и одиночными бактериями, простейши­ми, червями, плесневыми грибами, дрожжами и редко - личинками насекомых, рач­ков, водорослями. Это сообщество называется биоценозом. Биоценоз активного ила представлен в основном двенадцатью видами микроорганизмов и простейших.

Анаэробные методы очистки протекают без доступа кислорода, их ис­пользуют главным образом для обезвреживания осадков.

Качество ила определяется скоростью его осаждения и степенью очистки воды. Крупные хлопья оседают быстрее, чем мелкие. Процесс биохимического окисления протекает интенсивнее в мелких, взвешенных хлопьях ила, так как при этом облегчается и ускоряется внутренняя диффузия органических примесей, т.е. диффузия их во внутриклеточном пространстве организмов. Именно по этой причине для эффектив­ности процесса активный ил должен систематически перемешиваться в сооружении очистки. Состояние ила характеризует иловый индекс, который представляет собой отношение объема неосаждаемой части активного ила к массе высушенного осадка после 30-минутного отстаивания. Чем хуже оседает ил, тем более высокий иловый индекс он имеет.

Биопленка растет на наполнителе биофильтра, она имеет вид слизистых обрас­таний толщиной 1-3 мм и более. Цвет ее меняется с изменением состава сточных вод от серовато-желтого до темно-коричневого. В биоценозе биопленки более расширен­ный видовой состав, чем в активном иле. Личинки комаров, мух, клещей поедают ак­тивный ил и биопленку и тем способствуют более рыхлой их структуре, что, в свою очередь, как уже было сказано выше, способствует большей эффективности очистки.

Показатель, характеризующий биохимическую деятельность биоценоза назы­вается биохимической активностью. Этот биохимический показатель зависит от со­става примесей в сточной воде, и является параметром, необходи­мым для расчета и эксплуатации очистных сооружений при биологической очистке. Этот показатель определяется как отношение БПК ПОЛН /ХПК и колеблется в очень широком диапазоне для различных сточных вод. По биохимическому показателю производственные сточные воды делятся на четыре группы. Первая группа имеет са­мый высокий биохимический показатель выше. Именно эту группу составляют сточ­ные воды пищевой промышленности. Чем больше в сточной воде минеральных при­месей в сравнении с органическими, тем ниже биохимический показатель, и тем со­ответственно ниже биоразлагаемость сточных вод.

На эффективность биохимической очистки влияют ряд факторов:

Температура (20-30ºС);

Аэрация кислорода (количество растворенного в воде кислорода);

Присутствие в сточной воде биохимических элементов и их соединений (таких как N, P,K,Ca и другие).

В искусственных условиях очистку проводят в аэротенках или в биофильтрах.

Аэротенками называют железобетонные аэрируемые резервуары, в которых биохимическое окисление проходит по мере протекания через них смеси сточной во­ды и активного ила. Аэрация необходима для насыщения воды кислородом и поддер­жания ила во взвешенном состоянии.

Одна из схем биологической очистки с приме­нением аэротенка показана на рис.1.

Рис. 1. Схема биологической очистки сточных вод

Сточную воду направляют в первичный отстойник, куда для улучшения осаж-дения взвешенных частиц можно добавить избыточный активный ил из вторичного отстойника. При этом активный ил работает и как коагулянт, агрегирующий и осаж­дающий взвешенные примеси. Затем осветленная вода поступает в преаэратор-усреднитель, в который также направляется часть избыточного ила из вторичного от­стойника. В преаэраторе сточные воды усредняются, аэрируются в течение 15-20 мин и здесь происходит первичное окисление, т.е. очистка от наиболее легко окисляемых примесей. Кроме того, в преаэраторе извлекаются за счет сорбции активным илом ионы тяжелых металлов и другие токсичные вещества, неблагоприятно влияющие на процесс биохимического окисления.

Из преаэратора сточная вода поступает в собственно аэротенк, в котором про­исходит основной этап биохимического окисления. Перед аэротенком сточная вода должна содержать не более 150 мг/л взвешенных веществ (для этого и работает пер­вичный отстойник), температура сточной воды должна быть не ниже 20 и не выше 30°С, рН - в пределах 6,5-9. Время аэрации в аэротенке определяется расчетом: обычно принимается до 10, иногда до 20, но не менее двух часов.

После биохимического окисления в аэротенке вода с хлопьями активного ила (биомасса его в аэротенке увеличивается) поступает во вторичный отстойник, где ак­тивный ил отделяется в виде шлама и утилизируется, частично возвращаясь в преаэратор и в аэротенк, а основная масса избыточного ила используется в качестве удобрения на полях. Очищенная вода из вторичного отстойника собирается через вы­пускной лоток.

Эти методы применяют для очистки хозяйственно-бытовых и промышленных сточных вод от многих растворимых органических и некоторых неорганических (сероводорода, аммиака, сульфидов, нитритов и др.) веществ. Процесс очистки основан на способности микроорганизмов использовать перечисленные вещества для питания в процессе жизнедеятельности – органические вещества для микроорганизмов являются источником углерода. Биохимическая очистка сточных вод может протекать в аэробных (биохимическое окисление) и анаэробных (биологическое разложение) условиях.

Очистка в анаэробных условиях происходит под действием анаэробных микроорганизмов, в результате количество органических загрязнителей, содержащихся в сточной воде, уменьшаются благодаря превращению их в газы (метан, двуокись углерода) и растворенные соли, а также росту биомассы анаэробных растений. Распад осуществляется в 2 фазы: вначале органическое вещество превращается в органические кислоты и спирты (первая группа микроорганизмов), а затем органические кислоты и спирты – в метан и двуокись углерода (вторая группа микроорганизмов).

Процесс в целом зависит от поддержания благоприятных для обеих групп микроорганизмов среды и равновесие между фазами должен быть таким, чтобы кислоты удалялись с той же скоростью, с которой они образуются. Анаэробный метод используется в основном для сбраживания избыточного активного ила, образующегося при анаэробной очистке.

Очистка в анаэробных условиях происходит в присутствии растворенного в воде кислорода, представляя собой модификацию протекающего в природе естественного процесса самоочищения водоёмов. Для биоочистки промышленных сточных вод наиболее распространены процессы с использованием активного ила, проводимые в аэротенках. Активный ил создается за счет взвешенных частиц, не задержанных при отстаивании, и за счет коллоидных веществ с размножающимися на них микроорганизмами. Активный ил в аэрируемой жидкости значительно ускоряет процессы окисления и создает условия для процессов адсорбции органических веществ.

Разрушение органических веществ до углекислого газа и других безвредных продуктов окисления происходит вследствие биоценоза, т.е. комплекса всех бактерий и простейших микроорганизмов, развивающихся в данном сооружении. Потребление микроорганизмами органических составляющих сточных вод происходит в 3 стадии: 1) массопередача органического вещества и кислорода из жидкости к поверхности клетки; 2) диффузия вещества и кислорода через полупроницаемую мембрану клетки; 3) метаболизм диффундированных продуктов, сопровождающийся приростом биомассы, выделением энергии, диоксида углерода и т.д.

Интенсивность и эффективность биологической очистки сточных вод определяется скоростью разложения бактерий.

Биологическая очистка сточных вод может осуществляться в естественных или искусственных условиях.

В естественных условиях используют специально подготовленные участки земли (поля орошения и фильтрации) или биологические пруды. Они представляют собой земляные резервуары глубиной 0,5¸1 м, в которых происходят те же процессы, что и при самоочищении водоёма.

Поля орошения – специально подготовленные земельные участки, используемые одновременно для очистки сточных вод и агрокультурных целей, т.е. для выращивания зерновых и силосных культур, трав, овощей, а также для посадки кустарников и деревьев. Поля фильтрации предназначены только для биологической очистки сточных вод.

Поля орошения и биологические пруды располагают на местности, имеющей уклон ступенями, для того чтобы вода самотеком переливалась с одного участка на другой. Очистка от загрязнений происходит в процессе фильтрации вод через почву, в которой задерживаются взвешенные и коллоидные частицы, образуя в порах грунта пленку. В глубокие слои почвы проникновение кислорода затруднено, поэтому наиболее сильное окисление происходит в верхних слоях почвы, т.е. на глубине до 0,2¸0,4 м.

Биологические пруды – предназначены для биологической очистки и для доочистки сточных вод в комплексе с другими очистными сооружениями. Их выполняют в виде каскада прудов, составляющих из 3¸5 ступеней. Процесс очистки сточных вод реализуется по следующей схеме: бактерии используют для окисления загрязнений кислород, выделенный водорослями в процессе фотосинтеза, а также кислорода из воздуха. Водоросли потребляют двуокись углерода, фосфаты и аммонийный азот, выделяемый при биохимическом разложении органических веществ. Поэтому для нормальной работы прудов необходимо соблюдать оптимальные значения рН и температуру сточной воды. Температура должна быть не менее 6°С, в связи с чем, в зимнее время пруды не эксплуатируются.

Различают пруды с естественной и искусственной аэрацией. Глубина прудов с естественной поверхностной аэрацией не превышает 1 м. При искусственной аэрации прудов с помощью механических аэраторов или продувки воздуха через толщу воды их глубина увеличивается до 3 м. Применение искусственной аэрации ускоряет процессы очистки воды. Недостатками прудов является низкая окислительная способность, сезонность работы, потребность в больших территориях.

Сооружения для искусственной биологической очистки по признаку расположения в них активной биомассы можно разделить на 2 группы: 1) активная биомасса находится в обрабатываемой сточной воде во взвешенном состоянии (аэротенки, окситенки); 2) активная биомасса закрепляется на неподвижном материале, а сточная вода обтекает его тонким пленочным слоем (биофильтры).

Аэротенки представляют собой железобетонные резервуары, прямоугольные в плане, разделенные перегородками на отдельные коридоры.

Сточная вода после сооружений механической очистки смешивается с возвратным активным илом (биоценозом) и, последовательно пройдя по коридорам аэротенка, поступает во вторичный отстойник. Время нахождения в аэротенке обрабатываемой сточной воды в зависимости от её состава колеблется от 6 до 12 часов. За это время основная масса органических загрязнений перерабатывается биоценозом активного ила. Для поддержания активного ила во взвешенном состоянии, интенсивного его перемешивания и насыщения обрабатываемой смеси кислорода воздуха в аэротенках устраивают различные системы аэрации (чаще механическая или пневматическая). Из аэротенков смесь обработанной сточной воды и активного ила поступает во вторичный отстойник, откуда осевший на дно активный ил с помощью специальных устройств (илососов) отводится в резервуар насосной станции, а очищенная сточная вода поступает либо на дальнейшую доочистку, либо дезинфицируется. В процессе биологического окисления происходит прирост биомассы активного ила. Для создания оптимальных условий её жизнедеятельности избыток ила выводится из системы и направляется в сооружения по обработке осадка, а основная часть в виде возвратного ила снова возвращается в аэротенк.

Комплексы очистных сооружений, в состав которых входят аэротенки, имеют производительность от нескольких десятков до 2¸3 млн. м 3 сточных вод в сутки.

Вместо воздуха для пневматической аэрации сточных вод может подаваться чистый кислород. Для этого процесса используют окситенки, несколько отличные по конструкции от аэротенков. Окислительная способность окситенков в 3 раза выше.

Биофильтры находя широкое применение при суточных расходах бытовых и производственных сточных вод до 20¸30 тыс. м 3 в сутки. Важнейшей составной частью биофильтров является загрузочный материал. По типу загрузочного материала их разделяют на 2 категории: с объёмной и плоской загрузкой. Биофильтры – это резервуары кругло и прямоугольной формы, которые заполняются загрузочным материалом. Объёмный материал, состоящий из гравия, керамзита, шлака с крупностью фракций 15¸80 мм, после сортировки фракций засыпается слоем высотой 2¸4 м. Плоскостной материал выполняется в виде жестких (кольцевых, трубчатых элементов из пластмасс, керамики, металла) и мягких (рулонная ткань) блоков, которые монтируются в теле биофильтра слоем толщиной 8 м.

Сточная вода, подаваемая выше поверхности загрузочного материала, равномерно распределяется через него, при этом на поверхности материала образуется биологическая пленка (биоценоз), аналогичная активному илу в аэротенках. Загрузочный материал поддерживается решетчатым днищем, сквозь отверстия которого обработанная сточная вода поступает на сплошное дно биофильтра и с помощью лотков отводится из биофильтра во вторичный отстойник.

Биофильтры с объёмной загрузкой эффективны при полной биологической очистке. Биофильтры с плоскостной загрузкой также могут применяться для полной биологической очистки, но их целесообразнее применять в качестве первой ступени двухступенчатой биологической очистки тогда, когда имеют место залповые выбросы высококонцентрированных производственных сточных вод или производится реконструкция очистных комплексов.

При эксплуатации сооружений биологической очистки необходимо соблюдать технологический регламент их работы, не допускать перегрузок и особенно залповых поступлений токсичных компонентов, поскольку такие нарушения могут губительно сказаться на жизнедеятельности организмов. Поэтому в сточных водах, направляемых на биологическую очистку, содержание нефти и нефтепродуктов должно быть не более 25 мг/л, ПАВ – не более 50мг/л, растворенных солей – не более 10 г/л.

Биологическая очистка не обеспечивает полного уничтожения в сточных водах всех болезнетворных бактерий. Поэтому после неё воду дезинфицируют жидким хлором или хлорной известью, озонированием, ультрафиолетовым излучением, электролизом или ультразвуком.

Обеззараживание очищенных сточных вод проводится для уничтожения содержащихся в них болезнетворных бактерий, вирусов и микроорганизмов; эффект обеззараживания должен составлять практически 100%. Поэтому после полной очистки в сточные воды вводят соединения хлора или другие сильные окислители (озон), обеспечивающие защиту водоемов от попадания в них возбудителей заболеваний.

Для природных вод, здоровья людей, для животных и рыб наиболее опасны различные радиоактивные отходы, которые образуются на атомных электростанциях при обработке ядерного топлива. Обработка сточных вод, содержащих радиоактивные загрязнения, зависит от уровня активности и солесодержания. Воды с низким солесодержанием обрабатываются ионообменными и намывными фильтрами. При высоком солесодержании методы электродиализа и выпаривания, а остаточные загрязнения снимаются на ионообменных установках. Все сточные воды с радиоактивностью, выше допустимой, сливают в специальные подземные резервуары или закачивают в глубокие подземные бессточные бассейны.

Биохимические методы очистки сточных вод основаны на ис­пользовании микроорганизмов, окисляющих органические вещест­ва, присутствующие в сточных водах в коллоидном и растворен­ном состоянии. Микроорганизмы разрушают молекулы различных соединений, используя вещества, необходимые для их питания, размножения и увеличения биологической массы - активного ила и биопленки.

Активный ил представляет собой комочки и хлопья размером от 5 до 150 мкм, состоящие из живых организмов и твердого суб­страта. К живым организмам активного ила относится скопление бактерий, простейших червей, бактериальных клеток, грибов, дрожжей. Твердым субстратом является отмершая часть микроор­ганизмов активного ила. Биопленка имеет вид слизистых обраста­ний толщиной 1-3 мм на наполнителе биофильтра и состоит так­же из бактерий, грибов, дрожжей и других организмов.

Для нормальной жизнедеятельности микроорганизмам нужны различные химические элементы, которые они усваивают из сточ­ных вод. Недостающие элементы - азот, фосфор, калий - искус­ственно вводят в очищаемую сточную воду.

Биохимические методы обычно применяют для окончательной очистки сточных вод после использования физико-химических ме­тодов обработки. С помощью физико-химических методов удаляют вещества, не поддающиеся биологической очистке, или снижают их концентрацию. В настоящее время широко применяют совмест­ную очистку бытовых и производственных сточных вод, так как в бытовых стоках содержатся растворенные вещества, наиболее легко усваиваемые микроорганизмами.

Процесс биохимической очистки сточных вод осуществляется в устройствах различного типа: аэротенках, биофильтрах и прудах. Активный ил разрушает различные соединения в аэротенках, где осуществляется искусственная аэрация сточных вод и ила, нахо­дящегося во взвешенном состоянии. Биопленка прикрепляется к наполнительной массе биофильтра и соприкасается с воздухом при фильтрации сточных вод.

аэротенки имеют различную форму. Благо­даря аэрации сточных вод и ила, активный ил разрушает различ­ные соединения. Аэрировать сточные воды в аэротенках можно механическими и пневматическими методами. Чем мельче диспер­гирован воздух, тем больше поверхность контакта пузырьков воз­духа с водой, т. е. тем полнее насыщаются сточные воды кислоро­дом, необходимым для жизнедеятельности микроорганизмов. Ино­гда используют поверхностную аэрацию сточных вод, заключаю­щуюся в поверхностном разбрызгивании воды, откачиваемой из нижней части аэротенка. При пневматической аэрации часто вместо воздуха вводят кислород. Применение кислорода, с одной стороны, удорожает процесс биохимической очистки, сточных вод, а с другой - значительно интенсифицирует его, так как почти в два раза увеличивается концентрация активного ила и уменьша­ется время, необходимое для разложения микроорганизмами раз­личных веществ.

По схеме полной биохимической очистки сточных вод (рис. 111) сточная вода поступает в усреднитель 1 , снабженный решеткой для механической очистки вод от крупных частиц и различных предметов. Из усреднителя вода подается в песколовку 2 , пред­ставляющую собой цилиндроконический резервуар с тангенциаль­ным вводом воды. В песколовке осаждается зернистая фракция - песок. Слив песколовки поступает в первичный отстойник 3 , в ко­тором осаждается тонкозернистая фракция взвешенных частиц. Слив первичных отстойников совместно с возвратным илом пода­ется в аэротенки 4 с поперечным сечением прямоугольной формы, где с помощью микроорганизмов разлагаются различные органи­ческие и минеральные вещества. В аэротенках сточные воды аэри­руют сжатым воздухом. Из аэротенка сточную воду с активным илом направляют на отстаивание во вторичный отстойник 5 для улавливания активного ила. Слив вторичного отстойника поступа­ет в контактный резервуар 6, в который подают также жидкий хлор для обеззараживания сточных вод. Продолжительность кон­тактирования сточных вод с жидким хлором 15-20 мин. После контактирования с хлором сточные воды отстаивают в чане 7 . а затем подают в буферные пруды, в которых очищенная вода долж­на находиться не менее З сут.

Ил из вторичного отстойника откачивают насосами станции 8 в илоуплотнитель 9 . Часть ила - возврат - подают в аэротенк. Уплотненный ил и осадок первичного отстойника подают в метантенк 10 - герметически закрытый резервуар для брожения осадка без доступа кислорода. Осадок в метантенке интенсивно переме­шивается пропеллерной мешалкой. Интенсивность брожения осад­ка повышается при температуре 50-55 °С, поэтому в метантект из котельной 12 подают пар. При брожении 1 т осадка образуется около 10 м 3 газа. Газ, выделяемый в результате брожения и со­держащий 70-75 % метана и 20-25 % углекислого газа, сжига­ют в котельной. Из метантенка осадок подают на иловую площад­ку 11 с искусственным или естественным дренирующим основа­нием.

Дренажная вода иловых площадок перекачивается в первич­ный отстойник. На иловых площадках осадок обезвоживается до содержания 75-80 % твердого. После этого его можно использо­вать в качестве удобрений. Иногда осадок метантенков обезвожи­вают в фильтр-прессах типа ФПАКМ и в термических сушилках.

В биофильтрах окисление загрязнений сточной воды осуществ­ляется при ее фильтровании через наполнитель фильтра, на по­верхности которого растут и развиваются организмы биопленки. Биофильтры представляют собой сооружения чаще цилиндриче­ской формы, выполненные из бетона, железобетона или кирпича. Биофильтр заполняют фильтрующим материалом, состоящим из кусков размером 4-6 см. Материал должен быть шероховатым для лучшего удержания биопленки. Сточная вода в биофильтре создает условия для развития микроорганизмов, прикрепляющихся к фильтрующему материалу. При фильтровании сточных вод че­рез наполнитель фильтра биопленкой разлагаются различные со­единения сточных вод. Очищенные воды концентрируются на не­проницаемом для воды днище фильтра, откуда отводятся по дре­нажным трубам.

Биофильтры подразделяют на высоконагруженные и слабона-груженные или капельные. Высота высоконагруженного фильтра составляет 2-4 м, а капельного менее 2 м. В высоконагруженных фильтрах применяют искусственную вентиляцию сточных вод.

Производительность по очищаемой воде высоконагруженных и капельных биофильтров соответственно 10-30 и 0,5-3 м 3 /(м 2 ·сут).

Оптимальные условия работы биофильтров следующие: рН сточных вод 7-8; температура 18-25 °С; концентрация в сточных водах, элементов калия, азота и фосфора и взвешенных веществ не более 100 мг/л.

Сточные воды очищают биохимическими методами и в естественных условиях: на полях орошения и фильтрации и в биологи­ческих прудах. Поля орошения и фильтрации используют для очистки стоков сравнительно редко. Обычно для окончательной очистки и отстаивания сточные воды направляют в биологические пруды.

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:

1. повысить эффективность использования О 2 с 8 – 9 до 90 - 95%
2. повысить окислительную мощность по сравнению с аэротенками в 5-6 раз
3. снизить скорость перемешивания СВ (это улучшает осаждение ила, т. к. не разрушаются крупные хлопья)
4. улучшить бактериальный состав активного ила (при высоких концентрациях О 2 не развиваются ниточные бактерии)
5. повышается содержание О 2 в очищенной воде, что способствует ее дальнейшей доочистке
6. избежать неприятных запахов, т. к. окситенки – закрытые герметичные аппараты
7. 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:

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

1. присутствие солей тяжелых металлов
2. избыток nН 4
3. 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.

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