Биологическая очистка

Биологическая очистка основана на жизнедеятельности микроорганизмов, которые способствуют окислению или восстановлению органических веществ, находящихся в сточных водах в виде тонких суспензий, коллоидов, в растворе и являются для микроорганизмов источником питания, в результате чего и происходит очистка сточных вод от загрязнения.

Очистные сооружения биологической очистки можно разделить на два основных типа:

сооружения, в которых очистка происходит в условиях, близких к естественным;

сооружения, в которых очистка происходит в искусственно созданных условиях.

К первому типу относятся сооружения, в которых происходит фильтрование очищаемых сточных вод через почву (поля орошения и поля фильтрации) и сооружения, представляющие собой водоемы (биологические пруды) с проточной водой. В таких сооружениях дыхание микроорганизмов кислородом происходит за счет непосредственного поглощения его из воздуха. В сооружениях второго типа микроорганизмы дышат кислородом главным образом за счет диффундирования его через поверхность воды (реаэрация) или за счет механической аэрации.

В искусственных условиях биологическую очистку применяют в аэротенках, биофильтрах и аэрофильтрах. В этих условиях процесс очистки происходит более интенсивно, так как создаются лучшие условия для развития активной жизнедеятельности микроорганизмов.

При повышенных требованиях к очистке биологически очищенную воду очищают дополнительно. Наиболее широкое распространение в качестве сооружений для дополнительной очистки получили песчаные фильтры, главным образом двух- и многослойные, а также контактные осветлители (микрофильтры применяют реже).

Снижение концентрации трудноокисляемых веществ возможно методом сорбции, например активированным углем и химическим окислением или путем озонирования. Концентрацию солей можно снижать методами обессоливания.

Билет 20

Ответ1

1.1. Ионный состав природных вод

Состав грунтовых, озерных, речных и океанских вод может изменяться в широких пределах в зависимости от состава почв, пород, растительного мира, с которыми вода контактирует.

Главный ионный состав морской воды – ионы Cl ^-  и Na⁺, а также ионы  Mg²⁺, Ca²⁺, K⁺ и анионы   SO₄^2–, HCO₃^–, Br ^– .

В грунтовых и родниковых водах находятся ионы кальция, магния, хлора, натрия, гидрокарбонатные ионы, сульфат ионы, в меньшем количестве – ионы железа и др.

В состав речных вод входят эти же вещества, но гидрокарбонатные ионы (HCO₃^-)  содержатся в небольшом количестве, так как гидрокарбонат кальция Ca(HCO₃)₂ и гидрокарбонат магния Mg(HCO₃)₂  разлагаются и углекислый газ удаляется из воды в атмосферу:

Ca (HCO₃)₂    <=>   CaCO₃ + CO₂ + H₂O

Знание ионного состава  вод позволяет судить о процессах, влияющих на формирование химического состава вод и о загрязнении поверхностных вод.

Главными компонентами минерального состава природных вод являются ионы солей соляной, серной и угольной кислот с металлами (натрий, калий, магний и кальций).

По концентрации в воде эти вещества обычно составляют 90-95 % суммарного содержания всех найденных при химическом анализе воды минеральных веществ (общей минерализации природных вод).

Главные ионы определяют химический тип вод, иначе их назы­вают макрокомпонентами.

Массовая концентрация главных ионов в пресных водах выражается первыми единицами миллиграммов в литре, в рассолах же достигает нескольких сотен граммов на1 кг.

В природных водах рек и озер выделяются следующие главные ионы:

• хлоридные (Cl);

• сульфатные (SO₄);

• гидрокарбонатные (HCO₃) и карбонатные (CO₃) ионы;

• ионы натрия (Na);

• кальция (Ca);

• калия (K);

• магния (Mg).

• Факторы формирования химического состава природных вод

  Факторы формирования и результаты их воздействия	Виды природных вод
  	Атмосферные осадки (дождь, снег, иней, град)	Поверхностные воды суши (реки, ручьи, озера, болота)	Подземные воды
  Прямые факторы формирования	почвы, породы, растения, соли солончаков, соли с поверхности льда, деятельность человека, космическая пыль, разряд атмосферного электричества (оксиды азота), вулканические газы, пыль	атмосферные осадки, почвы, породы, растения, подземные воды, сточные воды (промышленные, сельскохозяйственные, хозяйственно-бытовые)	Поверхностные воды, почвы, породы, физико-химические процессы (растворение–осаждение, сорбция–десорбция и др.)
  Результаты воздействия прямых факторов на состав воды	переход в растворимое состояние солей: поступление в атмосферу и образование в ней твердых и жидких аэрозолей и газов	поступление химических веществ в различных формах: взвешенные, коллоидные, растворенные (ионы, комплексные соединения, недиссоциированные соединения)	Поступление химических веществ в растворенной форме, осаждение в результате физико-химических процессов
  Косвенные факторы формирования	Климат	климат, рельеф, растительность, водный режим	климат, рельеф, геологические условия, глубина залегания, температура и давление
  Результат воздействия косвенных факторов на состав воды	Обогащение атмосферных осадков химическими веществами в различных концентрациях в зависимости от климатических условий и интенсивности антропогенного воздействия в регионе	дифференциация поступления химических веществ в поверхностные воды в пространстве (географическая, климатическая зональность) и во времени (гидрохимический режим)	Изменение химического состава воды по концентрации (минерализация) и соотношению компонентов (относительный состав)

• По характеру своего воздействия факторы, определяющие формирование химического состава природных вод, целесообразно разделить на следующие группы:

• ·                    физико-географические (рельеф, климат, выветривание, почвенный покров);

• ·                    геологические (состав горных пород, тектоническое строение, гидрогеологические условия);

• ·                    физико-химические (химические свойства элементов, кислотно-щелочные и окислительно-восстановительные условия, смешение вод и катионный обмен);

• ·                    биологические (деятельность растений и живых организмов);

• ·                    антропогенные (все факторы, связанные с деятельностью человека).

Формирование химического состава природных вод определяют в основном две группы факторов: 

• прямые факторы, непосредственно воздействующие на воду (т.е. действие веществ, которые могут обогащать воду растворенными соединениями или, наоборот, выделять их из воды): состав горных пород, живые организмы, хозяйственная деятельность человека;

• косвенные факторы, определяющие условия, в которых протекает взаимодействие веществ с водой: климат, рельеф, гидрологический режим, растительность, гидрогеологические и гидродинамические условия и пр.

• Формирование состава природных вод происходит в результате выщелачивания, испарения, конденсирования, ионного обмена, поглощения и выделения газов, жизнедеятельности организмов и в результате других физико-химических процессов взаимодействия вод с породами, почвами и газами. В природных водах найдено свыше 60 элементов, которые присутствуют в виде ионов, недиссоциированных молекул, в том числе газов и коллоидов. Однако обычно только некоторые из них присутствуют в значительных количествах. К числу таких элементов относятся натрий, кальций, магний и хлор, присутствующие в виде простых ионов, а также углерод, сера, азот, кислород, водород и кремний, присутствующие в виде сложных ионов, недиссоциированных молекул и коллоидов и растворимых газов.

• Вещества, содержащиеся в природных водах, подразделяются на основные группы: макро- и микрокомпоненты.

• К макрокомпонентам относятся компоненты, часто находящиеся в водах в повышенных относительно других компонентов содержаниях. Среди них кальций, натрий, магний, хлор, углерод, железо, являющиеся преобладающими катионами и анионами во многих типах подземных вод регионального распространения. К микрокомпонентам можно отнести все остальные ионы, а также коллоиды. Большую роль в определении свойств природных вод имеют показатели, характеризующие состояние воды и в значительной мере определяющие возможность присутствия в воде элементов в тех или иных соединениях. К числу таких показателей относятся концентрация водородных ионов pH и окислительно-восстановительный потенциал Eh.

• Формы выражения результатов химического анализа воды. Основной формой выражения результатов анализа воды является ионная форма. При этом содержание того или иного иона выражается в граммах или миллиграммах на 1 л воды, а для минерализованных вод и рассолов - в граммах на килограмм или в граммах на 100 г. Результаты определения в воде микрокомпонентов выражаются в микрограммах на 1 л воды. Однако для полной характеристики свойств воды ионная форма выражения недостаточна. Поэтому наряду с ионной формой пользуются миллиграмм-эквивалентной формой. Пересчет данных анализа производится делением количества миллиграммов каждого иона в 1л воды на его эквивалентный вес. Полученные величины называют миллиграм-эквивалентами, или милливалями. При сравнении результатов анализа вод различной минерализации для получения пропорциональных величин количество миллиграмм-эквивалентов пересчитывают в процент-эквиваленты (%-экв).

• Бактериологический состав воды. Бактериологические исследования воды проводятся с целью санитарной оценки питьевой воды. Санитарное состояние воды определяется степенью фекальной загрязненности. Главным показателем этого загрязнения воды служит кишечная палочка. Для оценки санитарного состояния питьевой воды определяется содержание одной кишечной палочки в единице объема воды (Coli-титр). Чем вода качественнее, тем в больших объемах удается обнаружить кишечную палочку и наоборот. По классифицируют воду следующим образом: здоровая, достаточно здоровая, сомнительная, нездоровая, совершенно нездоровая.

• Газовый состав воды. Состав газов, растворенных в подземных водах, и их концентрация очень разнообразны. Наиболее распространенными являются кислород, азот, метан, углекислый газ, сероводород, инертные газы. Реже встречаются водород, ближайшие гомологи метана - этан, пропан и бутан, а также окись углерода, закись азота и другие.

• В речных и озерных водах микроэлементы могут присутствовать в виде взвешенных веществ, коллоидов, в форме комплексов, образованных с гуминовыми и другими органическими кислотами.

• Главной причиной низких концентраций микроэлементов в природных водах является их низкая миграционная способность. Большинство микроэлементов в природных водах встречается в концентрациях намного ниже 1 мг/л. Для некоторых микроэлементов причиной этого является их малая распространенность в природе.

• Однако основными причинами малых концентраций микроэлементов в природных водах являются: ограниченная растворимость многих тяжелых металлов, адсорбцияминеральными взвесями и извлечение их из воды растениями и животными.

• Концентрации микроэлементов в водной среде обычно принято выражать в микрограммах в 1 л воды (мкг/л).

• Условно микролементы можно разделить на 5 подгрупп

• 1)    типичные катионы  (литий, рубидий, бериллий, барий, цезий и др.);

• 2)    типичные анионы (бром, йод, фтор, бор);

• 3)    ионы тяжелых металлов (ртуть, свинец, кадмий, мышьяк, медь, цинк, олово, железо, никель и т.д.), более подробно см. в п. 2.1;

• 4)    амфотерные комплексообразователи (хром, молибден, марганец);

• 5)    радиоактивные элементы (калий-40, уран, радий, торий, радон, водород-3, углерод-14, стронций-90, цезий-137, церий-144, плутоний-239).

ОРГАНИЧЕСКИЕ ВЕЩЕСТВА (В ПРИРОДНЫХ ВОДАХ) – продукты растений и животных, населяющих водную среду, представленные соединениями углерода с другими элементами (см. органика). В воде водоемов содержится большое количество самых разнообразных органических соединений. Их происхождение связано с продуктами метаболизма живых организмов и веществами, образовавшимися при их распаде. О.в. поступают в водные объекты с атмосферными осадками; с поверхностным стоком, в результате взаимодействия атмосферной влаги с почвенным и растительным покровом на поверхности водосбора; в результате внутриводоемных процессов образования органического вещества; поступлений из других водных объектов, из болот, торфяников, с промышленными и хозяйственно-бытовыми сточными водами и с водами, сбрасываемыми с орошаемых земель. По происхождению органическое вещество делят на аллохтонное (см.) (поступающее с водосбора) и автохтонное (см.) (образующееся в самом водоеме). С санитарно-гигиенической точки зрения органические вещества в природных водах можно разделить на 2 группы: 1) продукты распада растительных и животных остатков (не ядовиты и в гигиеническом отношении безвредны); 2) продукты разложения разнообразных отходов, попадающих в водные объекты со сточными водами (см.) (как правило, являются благоприятной средой для развития болезнетворных микроорганизмов). Состав О.в.п.в. чрезвычайно разнообразен и зависит от его происхождения.

Это и весьма сложные высокомолекулярные соединения типа белков, полисахаридов и простейшие — метан, формальдегид, низшие жирные кислоты, амины и др. Распространенную группу представляют гуминовые и фульвокислоты (см. гумус), придающие воде специфические свойства. Наиболее распространенная группа органических соединений в природных водах — углеводороды, имеющие общую формулу С_n(Н2O)_m, которые входят в состав всех живых организмов. О.в.п.в. находятся в истинно растворенном состоянии (размер частиц 0,001 мкм), коллоидном (0,001–0,1 мкм) и часть более крупных частиц в состоянии взвеси (обычно до 150–200 мкм). Они образуют динамическую систему, в которой под действием физических, химических и биологических факторов непрерывно происходят переходы из одного состояния в другое. В водах морей и океанов основная масса органического вещества находится в истинно-растворенном и коллоидном состояниях. Исходя из реальных возможностей выделения и количественного анализа его разделяют на растворенное и взвешенное. Единого мнения, где проводить границу между растворенным и взвешенным веществом, нет. Большинство исследователей чаще всего к растворенному органическому веществу относят всю ту его часть, которая проходит через фильтр с порами 0,45—1 мкм. Суммарное количество содержащегося в воде органического вещества определяют по разности вещества в весе между сухим остатком и потерей при прокаливании. Широко распространены методы косвенного определения содержания в воде органического вещества и его отдельных составляющих: окисляемость воды (см.), перманганатная окисляемость, бихроматная окисляемость, цветность воды (см.), содержание органического углерода в воде, живых организмах и взвешенном состоянии. Значения этих характеристик и дают, главным образом, представление о пространственном распределении и режиме органического вещества в природных водах. Количество О.в.п.в. может быть оценено также раздельным определением органических соединений углерода, азота и фосфора. На долю органического углерода (Сорг) приходится около 50% массы органических веществ. Содержание Сорг в природных водах изменяется в широких пределах: в незагрязненных водах наименьшая его концентрация около 1 мг/дм³, наибольшая — 10—20 мг/дм³, а в болотных водах — до сотен миллиграммов в 1 дм³. В загрязненных водах содержание Сорг увеличивается до 100 мг/дм³ и более.