6.10.5. Биохимические методы очистки

Биохимические методы очистки применяются для очистки хозяйственно-бытовых и промышленных сточных вод от органических и некоторых неорганических соединений (сероводорода, сульфидов, аммиака, нитратов и др.). Известны аэробные и анаэробные методы биохимической очистки. При аэробном методе используются микроорганизмы, для жизни которых необходим кислород и температура 20-40С.

Анаэробные методы протекают без кислорода, их используют в основном для обеззараживания осадков.

Аэробная очистка может протекать в естественных и искусственных сооружениях. В естественных условиях очистка происходит на полях орошения, полях фильтрации и биологических прудах. Искусственным являются биофильтры, аэротенки и окситенки.

Выбор сооружений зависит от климатических условий, объема и состава стоков, концентрации загрязнителей.

В искусственных сооружениях очистка идет быстрее, чем в естественных условиях.

Поля орошения. Сточные воды после предварительной очистки используются для орошения сельско-хозяйственных культур, посадки деревьев и кустарников.

Биологические пруды представляют 3-5 ступенчатый каскад прудов, через которые с небольшой скоростью движется предварительно очищенная вода. Пруды бывают с естественной и искусственной аэрацией. При естественной аэрации пруды имеют небольшую (0,5-1 м) глубину и заселены водными организмами. При искусственной аэрации пруды аэрируют механическим перемешиванием или продуванием воздуха.

Биофильтры – сооружения, в которых сточные воды фильтруются через загрузочный материал, покрытый биологической пленкой, образованной колониями микроорганизмов. Микроорганизмы биопленки окисляют органические вещества, используя их в качестве питания и энергии.

Омертвевшая пленка смывается отработанной водой и выносится из тела биофильтра. Необходимый для биохимического процесса кислород воздуха поступает в толщу загрузки путем естественной и искусственной вентиляции фильтра. В качестве загрузочного материала используют объемную загрузку (гравий, шлак, керамзит, щебенку) и плоскую загрузку (пластмассы, астбоцемент, керамику, металл, ткани и др.).

Аэротенки представляют собой резервуары, в которых очищаемая сточная вода и активный ил насыщаются воздухом и перемешиваются (рис. 6.7). Для обеспечения нормального хода непрерывно подается воздух. После очистки вода отстаивается. Активный ил отделяется и частично подается на новую очистку, а частично сбрасывается на иловые площадки. Иногда вместо воздуха для окисления используют технический кислород. Эти сооружения называются окситенками.

Эффективность процессов зависит от температуры, рН, наличия биогенных элементов, кислородного режима.

Оптимальной температурой для аэробных процессов, происходящих в очистных сооружениях, считается 20-30 С.

Рис. 6.7. Схема работы аэротенка

рН. Биологическая очистка наиболее эффективна, если значение рН не выходит за пределы 5-9, оптимальной считается среда с рН= 6,5-7,5. Отклонение рН за пределы 5-9 влечет за собой уменьшение скорости окисления вследствие замедления обменных процессов в клетке, нарушения проницаемости цитоплазматической мембраны.

Биогенные элементы. Для нормального процесса синтеза клеточного вещества в среде должна быть достаточная концентрация всех основных элементов питания - органического углерода (БПК), азота, фосфора. Кроме основных элементов состава клетки (С, О, Н, N), для ее построения в незначительном количестве необходимы и другие ее компоненты: марганец, медь, цинк, молибден, селен, магний, кобальт, кальций, натрий, калий, железо. Содержание указанных элементов в природных водах, из которых потом образуются сточные, обычно достаточно, чтобы полностью удовлетворить требованиям бактериального метаболизма. Часто не хватает азота и фосфора, и их добавляют искусственно в виде суперфосфата, ортофосфорной кислоты, мочевины и т.п.

Кислородный режим. Питание биомассы кислородом зависит от его концентрации и от перемешивания воды в аэротенках. Концентрация кислорода в воде поддерживается в пределах 1-2 мг/л, при этом, чем меньше хлопья и чем лучше перемешивание активного ила с водой, тем концентрация кислорода в воде меньше. При концентрации кислорода ниже 0,5 мг/л наблюдаются неблагоприятные процессы в развитии микроорганизмов.

Токсичные вещества снижают развитие микроорганизмов и нарушают их жизнедеятельность. Вредные вещества, попадая в бактериальную клетку, взаимодействуют с её компонентами и нарушают их функции. Так, при значительных концентрация фенолов, формальдегида и других антисептиков происходит денатурация белков протоплазмы, а эфир и ацетон разрушают оболочку клетки. Особенно токсичны соли тяжелых металлов. Отрицательно действуют на жизнедеятельность микроорганизмов повышенные концентрации неорганических солей. Максимальное их количество не должно превышать 10 г/л.

Эффективность очистки сточных вод зависит также от качества и количества активного ила. Обычно в аэротенках поддерживается концентрация активного ила в пределах 2-4 г/л. Активность ила зависит от его возраста. Наиболее активным считается ил в возрасте двух-трех дней.

Активный ил состоит из живых организмов и твердого субстрата. Живые организмы представлены в основном 12-ю видами микроорганизмов и простейших (черви, пресневелые грибки, дрожжи, скопление бактерий, рачки и др.). Химический состав активного ила можно записать С_m H_n O_k N_c S_i.

Биоразлагаемость сточных вод характеризуется через их биохимический показатель БПК_П/ ХПК. Бытовые сточные воды имеют показатель >0,5, промышленные (0,05-0,3).

По биохимическому показателю (БП) сточные воды делятся на четыре группы:

1) БП >0,2 – воды хорошо очищаются биохимически (пищевые предприятия, нефтехимия);

2) БП - 0,1-0,02 – воды после механической очистки могут быть направлены на биохимическое окисление;

3) БП – 0,01-0,001 – стоки могут быть направлены на биохимическую очистку после механической и локальной физико-химической очистки.

4) БП<0,001. Вода может очищаться только механически.

Анаэробные методы используются для сбраживания осадков, образующихся при биохимической очистке производственных сточных вод, а также для очистки концентрированных промышленных сточных вод с БПК_полн.>4-5 г/л. Конечными продуктами брожения являются спирты, кислоты, газы брожения (СО₂, Н₂, СН₄).

Для очистки сточных вод чаще используют метановое брожение. Основная реакция метанообразования может быть записана уравнением

,

где А и Н₂А – органические вещества.

Процесс брожения проводят в метантенках – герметически закрытых резервуарах, оборудованных приспособлениями для ввода несброженного и отвода сброженного осадка (рис. 6.8). Перед подачей в метантенк осадок должен быть по возможности обезвожен.

Рис. 6.8. Метантенк

Дезинфекция сточных вод. Перед спуском в водоемы сточные воды должны обеззараживаться (дезинфецироваться). Эффективность обеззараживания определяется коли-титром (наименьший объем в мм сточной воды, в котором содержится одна кишечная палочка). Обеззараженной считается вода с коли-титром 0,001.

Обеззараживание производят жидким хлором, гипохлоритом натрия или калия, хлорной известью, озоном и др. Продолжительность контакта воды с хлором 30 мин. Расход хлора от 3 до 10 г/м³. Озон обладает большим бактерицидным действием, чем хлор; одновременно с обеззараживанием проводит улучшение физико-химических и органолептических показателей воды. Озон получают из воздуха в специальных установках под действием электрического тока. Для получения 1 кг озона требуется 50-60 м³ воздуха.

Обработка осадков. Загрязнения, находящиеся в сточных водах в разбавленном виде, при очистке задерживаются, концентрируются и образуют осадок. Поэтому наиболее сложной и наименее решенной оказывается проблема переработки выделенных из воды осадков.

Извлечение загрязнений из сточных вод обычно представляет собой комбинацию двух основных вариантов обработки: без изменения или с изменением первоначальной химической структуры примесей. К первому варианту можно отнести такие способы, как процеживание, гравитационное осаждение, флотация, фильтрование, сорбция, коагуляция с последующей седиментацией и т.п. Второй вариант - это деструктивные методы физико-химического и биохимического окисления.

В зависимости от технологической схемы очистки можно выделить несколько видов осадков: осадки с решеток; осадки с песколовок; осадки из первичных отстойников; осадок из первичных отстойников с коагулянтом или флокулянтом; избыточный активный ил после биологической очистки в аэротенках; избыточная биологическая пленка после биологической очистки в биофильрах; активный ил с коагулянтом или флокулянтом; смеси осадков и илов.

Объем образующихся в процессе очистки осадков в зависимости от технологической схемы составляет 0,5-10% от объёма сточных вод. Во всех видах осадка (кроме отбросов с решеток и осадка от песколовок), содержится 90-99 % жидкости, которая состоит из свободной (60-70%), коллоидно-связанной (20-30%) и гигроскопической (4-10%) воды. Свободная воды отделяется от осадка простой фильтрацией или отжимом, коллоидно-связанная воды могут быть частично переведены в свободную при коагуляции, флокуляции или термической обработке. Гигроскопическая воды удаляется только при сжигании осадка.

Стабилизацию осадков после биохимической очистки проводят для разрушения биологически разлагаемой части органического вещества на двуокись углерода, метан и воду. Ее ведут с помощью микроорганизмов в аэробных и анаэробных условиях. В анаэробных условиях проводится сбраживание в септиках, двухъярусных отстойниках, осветлителях, перегревателях, метантенках или на картах. Перегнивший осадок, при отсутствии в нем тяжелых металлов, можно использовать в качестве удобрения.

Контрольные вопросы

1. Какими способами можно очистить сточные воды?

2. На каком принципе работают сооружения механической очистки?

3. Какие методы входят в физико-химическую очистку?

4. Какие методы входят в химическую очистку?

5. Какие воды можно очищать биохимическими методами?

6. От чего зависит качество биохимической очистки?

7. Для чего нужна дезинфекция сточных вод?

8. Что делается с осадками от очистки сточных вод?