3. Восстановительная очистка сточных вод

Методы восстановительной очистки сточных вод применяют для удаления из сточных вод соединений ртути, хрома, мышьяка. В процессе очистки неорганические соединения ртути восстанавливают до металлической ртути, которую отделяют от воды отстаиванием, фильтрованием или флотацией. Для восстановления ртути и её соединений применяют сульфид железа FeS, боргидрид натрия NaBH₄, гидросульфит натрия NaHSO₃, гидразин N₂H₄, железный порошок, сероводород, алюминиевую пудру.

Наиболее распространённым способом удаления мышьяка из сточных вод является осаждение его в виде труднорастворимых соединений диоксидом серы.

Метод очистки сточных вод от веществ, содержащих шестивалентный хром, основан на восстановлении его до трехвалентного с последующим осаждением в виде гидроксида в щелочной среде.

В качестве восстановителей используют активный уголь, сульфат железа, бисульфат натрия, водород, диоксид серы, отходы органических веществ, пиритный огарок.

Для восстановления хрома наиболее часто используют растворы гидросульфита натрия:

4H₂CrO₄ + 6NaHSO₃ + 3H₂SO₄  2Cr₂(SO₄)₃ + 3Na₂SO₄ + 10H₂O

Для осаждения трехвалентного хрома применяют щелочные реагенты Ca(OH)₂, NaOH и др.:

Cr³⁺ + 3OH^– = Cr(OH)₃.

Восстановление диоксидом серы происходит по схеме:

SO₂ + H₂O  H₂SO₃

2CrO₃ + 3H₂SO₃  Cr₂(SO₄)₃ + 3H₂O

2. Биологические методы очистки сточных вод

Биохимические (биологические) методы применяют для очистки хозяйственно-бытовых и промышленных сточных вод от многих растворенных органических и некоторых неорганических (сероводород, сульфиды, аммиак, нитриты) веществ. Процесс очистки основан на способности микроорганизмов использовать эти вещества для питания в процессе жизнедеятельности, так как органические вещества для микроорганизмов являются источником углерода. Данные методы применяют самостоятельно, если концентрация загрязняющих веществ не превышает 500 мг/л., при более высоких концентрациях они используются лишь для доочистки воды.

Сточные воды, направляемые на биохимическую очистку, характеризуются величиной БПК и ХПК. БПК — биохимическое потребление кислорода, или количество кислорода, использованного при биохимических процессах окисления органических веществ (не включая процессы нитрификации) за определённое время инкубации пробы (2, 5, 8, 10, 20 суток), мг. O₂/мг. вещества. Например, БПК₅ — биохимическое потребление кислорода за 5 суток, БПК_полн — полное биохимическое потребление кислорода до начала процессов нитрификации, т.е. до появления нитритов в количестве 0,1 мг/л. (примерно через 20 суток), мг. O₂/мг. вещества. При анализе определяется количество кислорода, ушедшее за установленное время (обычно 5 суток) без доступа света при 20°С на окисление загрязняющих веществ, содержащихся в единице объема воды. Вычисляется разница между концентрациями растворённого кислорода в пробе воды непосредственно после отбора и после инкубации пробы. ХПК — химическое потребление кислорода, определённое бихроматным методом, т.е. количество кислорода, эквивалентное количеству расходуемого окислителя, необходимого для окисления всех восстановителей, содержащихся в воде, мг. O₂/ мг. вещества. Значение ХПК определяют при нагревании органических соединений с химически чистой концентрированной серной кислотой, к которой прибавляют йодат калия или соли хромовой кислоты, отдающие свой кислород на окисление.

Биохимической активностью микроорганизмов называют биохимическую деятельность, связанную с разрушением органических загрязнений сточных вод. Возможность биохимического окисления (биоразлагаемость сточных вод) характеризуется биохимическим показателем, т.е. отношением БПК_полн/ХПК. При отношении (БПК_полн/ХПК)*100% ≥50% и при отсутствии ядовитых веществ и примесей солей тяжёлых металлов вещества поддаются биохимическому окислению.

Для возможности подачи сточных вод на биохимическую очистку устанавливают максимальные концентрации токсичных веществ, которые не влияют на процессы биохимического окисления (МК_б) и на работу очистных сооружений (МК_б.о.с). Для неорганических веществ, которые практически не поддаются биохимическому окислению, также устанавливают максимальные концентрации, при превышении которых воду нельзя подвергать биохимической очистке. Как правило, перед биологической очисткой необходимо проводить три-четыре ступени предварительной очистки стоков. Кроме этого, для сброса очищенных сточных вод в водоёмы после биоочистки бывает необходима их доочистка (например, при помощи озонирования).

Биологические методы очистки сточных вод могут быть разделены на два типа по типам микроорганизмов, участвующих в переработке загрязнителей стоков:

1. Аэробные биологические методы очистки промышленных и бытовых сточных вод.

2. Очистка стоков анаэробными микроорганизмами.

Методы очистки сточных вод с участием аэробных бактерий разделяются по типу ёмкости, в которой происходит окисление стоков. В естественных условиях очистка сточных вод происходит на полях фильтрации и в биопрудах. Поля фильтрации — это специальные участки, отведенные для сброса загрязнённых сточных вод и заселённые почвенными аэробными бактериями. При попадании в почву вредная органика сточных вод подвергаются окислению микроорганизмами с конечным образованием углекислого газа и воды. Одновременно синтезируется биомасса бактерий. Аэробное окисление в биопрудах — это процесс минерализации органики сточных вод под действием бактерий, живущих в воде. Биопруды являются водными объектами с благоприятными для жизни микроорганизмов условиями (малая глубина, большое количество водорослей, насыщающих воду кислородом и т.п.) Строительство биопрудов может быть использовано и для очистки производственных сточных вод, и для очистки рек, впадающих в водохранилища. Препятствием более широкого использования биопрудов и полей фильтрации является их сезонная работа, небольшая производительность по очистке стоков, необходимость отвода крупных площадей земли.

В искусственных условиях очистка сточных вод проходит в биологических фильтрах и в аэротенках. Первый вариант имитирует очистку микроорганизмами стоков на почве, второй аналогичен очистке в водоёмах. Биологический фильтр — это заполненная крупнозернистым материалом ёмкость. На частицах данного материала живут колонии микроорганизмов. В биологическом фильтре поддерживаются в течение длительного времени оптимальные для их жизни параметры (температура, рН, концентрация кислорода в воде и т.д.). Аэротенк — это ёмкость глубиной до 5-6 метров, которая имеет устройство нагнетания воздуха. Внутри аэротенка на хлопьях ила живут колонии микроорганизмов. Данные колонии перерабатывают органику сточных вод. После аэротенков чистая вода подаётся в отстойники. В отстойниках происходит осаживание активного ила с его последующим частичным возвращением обратно в резервуар. Биологические фильтры легче обслуживать, нежели аэротенки. Они более надёжны и способны переносить перегрузки по загрязнению и объему сточных вод.

В случае, если сточные воды содержат высокие концентрации органики, наиболее перспективным методом очистки стоков является анаэробный метод. Преимущество данного метода очистки в меньших эксплуатационных расходах, так как в этом случае нет необходимости проводить аэрацию (насыщение кислородом) воды. Анаэробные реакторы, как правило, представляют собой металлические резервуары, содержащие миниммальное количество сложного нестандартного оборудования. Однако жизнедеятельность анаэробных микроорганизмов связана с выделением в воздух метана, что требует организации специальной системы наблюдения за его концентрацией.

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. Биохимическое окисление осуществляется сообществом микроорганизмов (биоценозом), включающим множество различных бактерий, простейших и ряд более высокоорганизованных организмов-водорослей, грибов и т.д., связанных между собой в единый комплекс сложными взаимоотношениями (метабиоз, симбиоз и антагонизм). Главенствующая роль в этом сообществе принадлежит бактериям, число которых варьирует от 10⁶ до 10¹⁴ клеток на 1 г сухой биологической массы (биомассы). Число родов бактерий может достигать 5... 10, число видов — нескольких десятков и даже сотен. Сообщество микроорганизмов представлено одними бактериями в том случае, если очистку проводят в анаэробных условиях. В производственных сточных водах встречается до 30 видов бактерий. Эти бактерии усваивают нефть, парафины, нафтены, фенолы и другие соединения.

Среди бактерий в очистных сооружениях сосуществуют гетеротрофы и автотрофы, причем преимущественное развитие та или иная группа получает в зависимости от условий работы системы. Эти две группы бактерий различаются по своему отношению к источнику углеродного питания. Гетеротрофы используют в качестве источника углерода готовые органические вещества и перерабатывают их для получения энергии и биосинтеза клетки. Автотрофные организмы потребляют для синтеза клетки неорганический углерод, а энергию получают за счет фотосинтеза, используя энергию света, либо хемосинтеза путём окисления некоторых неорганических соединений (например, аммиака, нитритов, солей двухвалентного железа, сероводорода, элементарной серы и др.). Микроорганизмы способны окислять многие органические вещества, но для этого требуется разное время адаптации. Легко окисляются бензойная кислота, этиловый и амиловый спирты, гликоли, хлоргидриды, ацетон, глицерин, анилин, сложные эфиры. Вещества, находящиеся в сточных водах в коллоидном и мелкодисперсном состояниях, окисляются с меньшей скоростью, чем вещества, растворённые в воде.

Концентрация водородных ионов существенно влияет на развитие микроорганизмов. Значительная часть бактерий развивается лучше всего в среде нейтральной или близкой к ней, однако имеются виды, хорошо развивающиеся в кислой среде с pH 4–6 (грибы, дрожжи) или, наоборот, в слабощелочной среде (актиномицеты). Биологическая очистка наиболее эффективна, если значение pH не выходит за пределы 5–9, оптимальной считается среда с pH 6,5–7,5 Отклонение pHза пределы 5–9 уменьшает скорость развития.

Для нормального процесса синтеза клеточного вещества, а, следовательно, и для эффективного процесса очистки сточной воды в среде должна быть достаточная концентрация всех основных элементов питания — органического углерода (БПК), азота, фосфора. Кроме основных элементов состава клетки (C, N, O, H) для её построения необходимы в незначительном количестве и другие компоненты. Достаточность элементов питания для бактерий в сточных водых определяется соотношением БПК: N:P (азот аммонийных солей или белковый и фосфор в виде растворённых фосфатов).