Тема 6. Системы и сооружения биохимической

очистки сточных вод

Целевая установка – необходимо понимать различии в аэробном и анаэробном разложении органических веществ, необходимо знать принципиальные схемы устройства основных аппаратов и сооружений, реализующих аэробные и анаэробные методы очистки сточных вод.

6.1. Общие положения

Биохимические методы очистки основаны на ферментативном разложении органических веществ, посредством микроорганизмов. Микроорганизмы питаются органическими веществами – загрязнителями. Условия разложения органики иллюстрирует схема.

Методы биохимические

аэробные (окисление с O2)

Анаэробные (сбраживание без O2)

Аэробный метод основан на использовании организмов - аэробов, для жизнедеятельности которых необходимы постоянное поступление кислорода (O₂) и температура 20 – 40⁰ C. При аэробной очистке микроорганизмы культивируются в активном иле или биопленке.

Анаэробные методы очистки протекают без доступа O₂. Их используют главным образом для обезвреживания осадков. Процессы сбраживания ведут в мезофильных (30 – 35⁰ C) и термофильных условиях (50 – 55⁰ C).

Аэробные процессы очистки реализуют в условиях близких к природным и в искусственных сооружениях (см. схему ниже).

Сооружения аэробной очистки

сооружения условно природные

сооружения искусственные

поля орошения

биологические пруды

аэротенки

биофильтры

Активный ил состоит из живых организмов и твердого неживого субстрата. Живые организмы представлены скоплениями бактерий (в виде скоплений слизи) и одиночными бактериями, червями (малых размеров, прежде всего коловратками), плесневыми грибами, дрожжами; реже – личинками насекомых, рачками, водорослями. Наличие слизей способствует улучшению структуры ила, его осаждению и уплотнению. Слизистые вещества содержат антибиотики, способные подавлять болезнетворные бактерии. Бактерии, лишенные слизистого слоя, с меньшей скоростью окисляют загрязнения. В зависимости от состава сточных вод преобладает одна из групп бактерий. Только основная группа бактерий участвует в процессе очистки сточных вод. Сопутствующие группы микроорганизмов подготавливают среду для существования этой основной группы, обеспечивая ее питательными веществами, утилизируя продукты окисления, регулируя численность бактерий. Так в активных илах встречаются представители 4 видов простейших (саркодовые, жгутиковые, реснитчатые и сосущие инфузории), которые не принимают непосредственного участия в процессах биохимического окисления. Они измельчают пищу для бактерий, питаясь сами бактериями, поддерживают их оптимальное содержание в иле. Черви – коловратки питаются и бактериями и простейшими. Биомасса основной физиологической группы бактерий ведущих процесс окисления, составляет в илах 80 – 90%, остальное – биомасса сопутствующих бактерий и других организмов. При образовании активного ила сначала появляются бактерии, затем простейшие. Бактерии выделяют вещества, стимулирующие разложение простейших. Они обладают склеивающей способностью, поэтому активный ил представляет собой буровато – желтые комочки и хлопья размером 3 – 150 мкм. Площадь свободной поверхности ~ 1200 м² на 1 м³ ила (или 100 м² на 1 г). В 1 м³ активного ила содержится ~ 2 · 10¹⁴ бактерий. Сухое вещество активного ила содержит 70 – 90% органических и 10 – 30% неорганических веществ. Субстрат активного ила (до 40% от общей массы) представляет собой твердую часть остатков отмерших водорослей и различных неорганических твердых остатков. К нему прикрепляются организмы активного ила. Несмотря на существенные различия сточных вод, элементный химический состав активных илов достаточно близок. Например, химический состав активного ила системы очистки коксохимического завода отвечает формуле C₉₇H₁₉₉O₅₃N₂₈S₂; завода азотных удобрений – C₉₀H₁₆₇O₅₂N₂₄S₂; городских сточных вод – C₅₄H₂₁₂O₈₂N₈S₇ где C - углерод; H - водород, O - кислород, N - азот; S - сера.

Качество ила определяет скорость его осаждения и степень очистки водной среды от органики. Крупные хлопья оседают быстрее, чем мелкие. Состояние ила характеризует иловый индекс – отношение объема осаждаемой части активного ила к массе высушенного осадка (в граммах) после отставания в течение 30 минут. Чем хуже оседает ил, тем более высокий иловый индекс он имеет.

Биофильтр содержит биологическую пленку, растущую на наполнителе. Биопленка имеет вид слизистых обрастаний толщиной от 1 – 3 мм и более. Цвет ее меняется с изменением состава сточных вод от серовато-желтого до темно коричневого. Биоценоз биофильтра (биопленки) включает бактерии, простейшие, грибы, и другие организмы. В ней встречаются более разнообразные представители простейших, червей, по сравнению с активным илом. Число микроорганизмов в биопленке меньше, чем в активном иле: в 1 м³ биопленке содержится ~ 1 · 10¹² бактерий.

Личинки комаров и мух, черви и клещи поедают активный ил и биопленку, вызывая их разрыхление. Это повышает интенсивность процесса очистки.

Суммарные реакции биохимического окисления в аэробных условиях схематично представляют в следующем виде:

бактерии

(ферменты)

(6.1)

бактерии

(ферменты)

(6.2)

где C_xH_yO_zN - все органические вещества сточных вод, C₅H₇NO₂ - среднее соотношение основных элементов в клеточном веществе бактерий.

Реакция (6.1) характеризует процесс окисления органического вещества для удовлетворения энергетических потребностей клетки. Реакция (6.2) характеризует процесс синтеза клеточного вещества. Затраты кислорода (O₂) на эти реакции составляет БПК_п. сточной воды. БПК – биохимическая потребность в кислороде – количество кислорода, используемого при биохимических процессах окисления органических веществ (не включая процессы нитрификации) за определенный промежуток времени (например 5, 20, 40 суток). Единицы измерения:

. БПК₅ – биохимическая потребность в кислороде за 5 суток; БПК_п – полная биохимическая потребность в кислороде до начала процессов нитрификации (~ за 40 суток). Процессы нитрификации и нитрофикации характеризуют уравнения:

бактерии

(ферменты)

(6.3)

бактерии бактерии

(ферменты) (ферменты)

(6.4)

Общий расход кислорода на 4 реакции приблизительно вдвое больше чем на реакции (6.1), (6.2), характеризующие БПК.

Также различают ХПК – химическую потребность в кислороде. ХПК – количество кислорода, эквивалентное количеству расходуемого окислителя (кислород содержащие соединения хрома или марганца – источники кислорода окислителя), необходимого для окисления всех восстановителей (органических и неорганических), содержащихся в водной среде. ХПК выражают в мг O₂ на 1 л водной среды.

Таким образом, контактируя с органическими веществами, микроорганизмы преобразуют их, в воду (H₂O), диоксид углерода (CO₂), нитрат – ионы (NO^-₂); а также в сульфат - ионы (SO^2-₄) и другие неорганические вещества. Другая часть органики идет на образование биомассы. Разрушение органических веществ с выделением кислородсодержащих неорганических соединений называют биохимическим окислением.

В результате деятельности анаэробных микроорганизмов, обуславливающих брожение в большинстве случаев образуется газ – метан (CH₄); а также спирты, кислоты, ацетон; газы брожения: водород (H₂); диоксид углерода CO₂. Анаэробные методы обезвреживания используют для сбраживания осадков биохимической очистки сточных вод, а также как первую ступень очистки промышленных сточных вод с БПК_п ≈ 4 – 5 г/л.

Биоразлагаемость сточных вод характеризуют с помощью биохимического показателя – по отношению БПК_п/ХПК. Этот показатель – необходимый параметр для расчета и эксплуатации промышленных сооружений очистки сточных вод. Его значения колеблятся в широких пределах для разных групп сточных вод. Промышленные сточные воды имеют низкий биохимический показатель (0,05 – 0,3); бытовые сточные воды – свыше 0,5. По биохимическому показателю, концентрации загрязнителей и токсичности промышленные сточные воды делят на 4 группы.

Группа 1 имеет биохимический показатель выше 0,2. К этой группе, например, относятся сточные воды пищевой промышленности (дрожжевых, крахмальных, сахарных, пивоваренных заводов), прямой перегонки нефти, синтетических жирных кислот, белково – витаминных концентратов и др. Органические загрязнения этой группы не токсичны для микроорганизмов.

Группа 2 имеет показатель в пределах 0,10 - 002. В эту группу входят сточные воды коксования, азотнотуковых, коксохимических, газосланцевых, содовых заводов. Эти воды после механической очистки могут быть направлены на биохимическое окисление.

Группа 3 имеет показатель в пределах 0,01 – 0,001. К ней относятся, например, сточные воды процессов сульфирования, хлорирования, производства масел и поверхностно – активных веществ (ПАВ), сернокислых заводов, предприятий черной металлургии, тяжелого машиностроения и др. Эти воды после механической и физико – химической локальной очистки могут быть направлены на биохимическое окисление.

Группа 4 показатель ниже 0,001. Сточные воды этой группы в основном содержит взвешенные частицы. К этим водам относятся стоки угле- и рудообогатительных фабрик и др. Для них используют механические методы очистки.

Сточные воды 1 и 2 группы относительно постоянны по виду и расходу загрязнений. После очистки они применимы в системах оборотного водоснабжения. Сточные воды группы 3 образуются периодически и отличаются переменной концентрацией загрязнений, устойчивых к биохимическому окислению. Они загрязнены веществами, которые хорошо растворимы в воде. Эти воды непригодны для оборотного водоснабжения.

Для успешного протекания реакций биохимического окисления необходимы:

- турбулизация (определенной степени) очищаемый вод;

- оптимально активного ила (г/л);

- поступление дополнительного количества кислорода (O₂) в пузырьках воздуха (аэрация);

- присутствие в очищаемой водной среде биогенных элементов и микроэлементов: азота (N), серы (S), фосфора (P), калия (K), магния (Mg), кальция (Ca), натрия (Na), хлора (Cl), железа (Fe), марганца (Mn), молибдена (Mo), никеля (Ni), кобальта (Co), цинка (Zn), меди (Cu) и др.

Из указанных выше основными элементами являются N, P и K, которые при биохимической очистке должны присутствовать в необходимых количествах. Содержание остальных элементов не нормируется, т.к. их в сточных водах достаточно. При нехватке N, P и K в сточную воду вводят азотные, фосфорные и калийные удобрения. Соответствующие соединения азота, фосфора, калия содержатся в бытовых сточных водах, поэтому при их совместной очистке с промышленными стоками добавлять биогенные элементы не надо. Целесообразно организовать системы совместной очистки промышленных и бытовых стоков.