среда |
Аэробная очистка сточных вод |
|
|
||
окружающая |
ВВЕДЕНИЕ. Внедрение около 100 лет тому назад систе- |
|
|
||
|
мы очистки сточных вод (капельных фильтров и мето- |
|
|
дов с использованием активного ила) наряду с появле- |
|
|
нием канализации в значительной мере препятствовало |
|
|
распространению эпидемий и, следовательно, привело к |
|
|
увеличению средней продолжительности жизни челове- |
|
и |
ка. Сегодня в развитых странах сточные воды в основ- |
|
ном очищаются биологическими методами. В Германии |
||
Биотехнология |
||
в эксплуатацию введены около 10 000 очистных соору- |
||
|
||
|
жений, из которых подавляющее большинство (96%) |
|
|
используют активный ил. Промышленные предприятия, |
|
|
расположенные по берегам Рейна, потребляют, а затем |
|
|
очищают около 15 млрд м3 воды в год. Проблема очист- |
|
|
ки сточных вод особенно остро стоит в странах, имею- |
|
|
щих выход к морю: к сожалению, до сих пор определен- |
|
|
ное количество неочищенных стоков попадает в моря. |
|
|
В развивающихся странах, где индустриализация проис- |
|
|
ходит на фоне быстрого прироста населения, проблема |
|
|
очистки питьевой воды очень актуальна и требует приня- |
|
|
тия незамедлительных мер. |
|
|
ХАРАКТЕРИСТИКИ СТОЧНЫХ ВОД. Выделяют два вида |
|
|
сточных вод – бытовые и промышленные. Состав |
|
|
промышленых сточных вод определяется их происхож- |
|
|
дением, а бытовые сточные воды в значительной мере |
|
|
имеют постоянный состав. Наиболее распространенным |
|
|
критерием оценки степени загрязнения бытовых сточ- |
|
|
ных вод является показатель биохимического потребле- |
|
|
ния кислорода (БПК5), равный количеству растворенно- |
|
|
го кислорода, поглощаемого единицей объема сточных |
|
|
вод в течение 5 сут при температуре 20 °С. Среднее |
|
|
значение органического загрязнения бытовых сточных |
|
|
вод составляет около 60 г БПК5 в расчете на одного че- |
|
|
ловека в сутки. Одно из самых опасных последствий |
|
|
сброса сточных вод – уменьшение количества раство- |
|
|
ренного кислорода в тех водоемах, куда сбрасываются |
|
|
отходы: это приводит к гибели аэробных микроорганиз- |
|
|
мов и бурному развитию различных анаэробных орга- |
|
|
низмов, в том числе и патогенных. Показателем сниже- |
|
|
ния концентрации кислорода в водоеме, куда |
|
|
сбрасываются бытовые сточные воды, служит химиче- |
|
|
ское потребление кислорода (ХПК), отражающее кон- |
|
|
центрацию веществ, подверженных химическому окис- |
|
|
лению, и общее содержание углерода (ОСУ) в единице |
|
|
объема сточных вод. Часто промышленные и бытовые |
|
|
стоки очищаются совместно. |
|
|
МИКРОБИОЛОГИЧЕСКАЯ ОЧИСТКА. В основе очистки |
|
|
вод в биологическом реакторе с аэрацией лежит актив- |
|
|
ность микроорганизмов, водорослей и простейших, оби- |
|
|
тающих в активном иле. Состав популяций организмов |
|
|
для очистки бытовых стоков остается постоянным в те- |
|
|
чение продолжительного времени и может значительно |
|
|
изменяться при попадании в стоки промышленных отхо- |
|
112 |
дов. Наиболее точные данные о составе популяции мож- |
|
но сделать на основе анализа 16S-рРНК методом FISH. |
В настоящее время разрабатываются стартовые культуры, которые остаются жизнеспособными в составе смешанной культуры и эффективно осуществляют деградацию некоторых химических отходов.
КАПЕЛЬНЫЙ (ПЕРКОЛЯЦИОННЫЙ) БИОЛОГИЧЕСКИЙ ФИЛЬТР. После того как сточные воды освобождены от крупных частиц, они поступают в биологический капельный фильтр, в котором микроорганизмы распределены по поверхности рыхлого материала (например, окаменевшей лавы). В капельном фильтре кислород поступает к микроорганизмам в результате естественной диффузии (конвекции), и именно скорость этого процесса определяет эффективность деградации отходов. Скорость поступления сточных вод должна быть достаточно низкой, чтобы жидкость не препятствовала дыханию аэробных микроорганизмов. Как правило, сточные воды накапливаются в специальных резервуарах и подаются на фильтр путем разбрызгивания.
ОЧИСТКА С УЧАСТИЕМ АКТИВНОГО ИЛА. При создании современных очистных сооружений, как правило, используют аэробные реакторы – аэротенки. Снабжение микроорганизмов активного ила кислородом происходит при пропускании воздуха через реактор (барботирование воздуха). Активный ил обладает высокой адсорбционной способностью: частички, содержащие микроорганизмы, присоединяются к суспендированным в стоке твердым веществам и осуществляют их окисление, а затем частицы ила оседают на дно. По сравнению с капельным биологическим фильтром очистка с участием активного ила более эффективна (примерно в 5 раз) и может быть усовершенствована путем пропускания чистого кислорода вместо воздуха. Недостаток использования активного ила – большие площади очистных сооружений и, следовательно, ограниченные возможности регуляции процесса. В Германии принята трехступенчатая система очистки сточных вод, которая включает биологическую или химическую деградацию фосфатов, биологическую нитрификацию (превращение азотсодержащих органических соединений в аммиак, а затем в нитриты и нитраты) и денитрификацию (превращение нитрата в N2 и N2O).
БАШЕННЫЕ ОЧИСТИТЕЛИ. Крупные химические производства Bayer и Hoechst снабжены дополнительными системами очистки сточных вод – башенными очистителями. Это закрытые 30-метровые реакторы, в которых благодаря интенсивной аэрации и тщательно регулируемой скорости поступления стоков происходит эффективная очистка промышленных стоков. Такая очистка экономически выгодна. Кроме того, закрытые системы препятствуют распространению неприятного запаха, характерного для процесса очистки стоков. Для повышения эффективности деградации вредных веществ в систему добавляют бытовые сточные воды.
Состав сточных вод |
|
|
|
Башенное очистное сооружение |
||
Источник |
Содержание |
Примечания |
|
с активным илом (Bayer, Hoechst) |
||
|
|
|
6 |
|||
|
органических |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
веществ, ед* |
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Бытовые сточные воды |
1 |
На одного жителя |
|
|
|
|
Пивоваренные |
150–350 |
На 1000 л пива |
|
|
|
|
предприятия |
|
|
|
|
|
|
Молочная |
25–70 |
На 1000 л молока |
2 |
|
2 |
|
промышленность |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
(без производства сыра) |
|
|
|
3 |
|
|
Крахмальный завод |
500-900 |
На 1000 т кукурузы |
|
|
||
4 |
|
7 |
||||
Производство шерсти |
200–4500 |
На 1 т шерсти |
|
5 |
|
|
|
|
|
||||
Целлюлозно-бумажная |
200–900 |
На 1 т бумаги |
|
1 Отстойник |
|
5 Сточные воды |
промышленность |
|
|
|
|
||
|
|
|
2 Очищенная вода |
6 Отвод воздуха |
||
Сахарозавод |
1000–2000 |
На 1 т сахара |
|
|||
|
3 Избыточный ил |
7 Входные щели |
||||
|
|
|
|
|||
* Единица, соответствующая 60 г БПК5 в расчете на одного человека |
4 Сжатый воздух |
|
||||
Устройство биологического очистного сооружения |
|
|
|
|||
Механическая очистка |
|
Биологическая очистка |
|
|
||
Фильтрование |
|
|
Аэрационный |
Вторичный отстойник |
||
через решетки |
Первичный отстойник |
резервуар (аэротенк) |
|
|
||
|
|
|
|
|
Воздух |
|
|
|
|
|
Биогаз |
|
Химическая |
|
|
|
|
|
|
|
Осажденная |
|
|
Сапропель |
очистка |
||
|
|
|
||||
суспензия |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Отходы |
Очищенная вода |
|
Устройство капельного биологического фильтра |
|
|
|
|
||
|
Поступление загрязненных вод |
|
|
|
||
с помощью вращающегося разбрызгивателя |
|
|
||||
Рыхлый |
|
|
|
|
|
|
наполнитель |
|
|
|
|
Вторичный отстойник |
|
(например, |
|
|
|
|
||
вулканический |
|
|
|
|
|
|
шлак) |
|
|
|
|
|
|
Первичный |
|
|
|
В первичный |
|
|
отстойник |
Перекачивание насосом |
|
отстойник |
|
Очищенная вода |
|
Технические характеристики очистных систем |
|
|
|
|
||
|
Капельный фильтр |
Активный ил |
Башенный очиститель |
|
||
|
Высота, м |
2–4 |
3–6 |
30 |
|
|
|
Диаметр, м |
до 30 |
до 30 |
30 |
|
|
|
Рабочий объем, м3 |
~ 10 |
~ 100 |
15 000 |
|
|
|
Время пребывания сточной воды в реакторе, ч |
~ 4 |
6–10 |
14 |
|
|
|
Снижение БПК5, т/сут |
0,5 |
2 |
100 |
|
113 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
среда |
Анаэробная очистка сточных вод и переработка ила |
|
|
|
|
окружающая |
ВВЕДЕНИЕ. Активный ил, содержащий большое коли- |
полная переработка (более 90%) органических суб- |
|
||
|
чество биологических продуктов, подвергается очи- |
стратов в метан и СО2 при сравнительно небольшой |
|
стке в анаэробных условиях, а затем сжигается или |
эффективности образования биомассы. Ил после пе- |
|
используется в сельском хозяйстве. Сбраживание |
реработки захоранивается, сжигается или использу- |
|
сточных вод – важный процесс: в Германии в эксплу- |
ется в качестве удобрения в сельском хозяйстве. |
|
атацию введены более 5000 метантенков (аппаратов |
Образующийся при анаэробной очистке ила метан |
и |
для анаэробной преработки ила) с общим рабочим |
применяется в качестве топлива для энергоснаб- |
объемом 1 млн м3. За год в этих аппаратах образует- |
жения очистных станций, для выработки тепла и |
|
Биотехнология |
ся 100 млн м3 биогаза. В реакторах с неподвижным |
электроэнергии. |
|
||
|
слоем также возможна анаэробная переработка |
АНАЭРОБНЫЙ РЕАКТОР С НЕПОДВИЖНЫМ СЛОЕМ |
|
сточных вод: такой способ имеет очень важное |
ИЛА. Сточные воды, загрязненные органическими |
|
значение при очистке промышленных стоков, содер- |
соединениями, могут быть подвергнуты анаэробной |
|
жащих биологические загрязнения, в частности отхо- |
очистке без предварительной обработки в аэробных |
|
ды пищевой промышленности. В странах со средним |
условиях. В колонном реакторе бактерии эффектив- |
|
уровнем развития экономики анаэробная переработ- |
но прикрепляются к частицам ила силами химико- |
|
ка отходов – важный источник биогаза. |
биологического сродства или поверхностного натя- |
|
МИКРООРГАНИЗМЫ. В процессе метанообразования |
жения при добавлении ПАВ или совместно с |
|
при переработке ила принимают участие различные |
частицами ила сорбируются на носителях. В резуль- |
|
бактерии: 1) облигатные или факультативные анаэ- |
тате оседания частиц в нижней части реактора обра- |
|
робы (клостридии, стрептококки, энтеробактерии), |
зуется зона повышенной плотности. Загрязненные |
|
которые из крахмала, жиров и белков синтезируют |
воды поступают в реактор снизу вверх, а образую- |
|
органические кислоты, Н2 и СО2; 2) уксуснокислые |
щийся в процессе окисления биогаз обеспечивает |
|
бактерии, превращающие органические кислоты в |
перемешивание реакционной среды. В верхней части |
|
ацетат, Н2 и СО2; 3) метанообразующие микроорга- |
реактора расположен газоуловитель, в котором час- |
|
низмы, продуцирующие СО2 и метан из уксусной ки- |
тицы, сорбировавшиеся на поверхности пузырьков |
|
слоты. Метанообразующие микроорганизмы являют- |
газа отделяются, а затем вновь поступают в реакци- |
|
ся облигатными анаэробами и в большинстве своем |
онную смесь. Во многих случаях, например при обра- |
|
относятся к археям. |
ботке сточных вод сахарного, целлюлозно-бумажного |
|
ПАРАМЕТРЫ ПРОЦЕССА. Важнейшие характеристики |
и крахмального производств, в результате анаэроб- |
|
процесса анаэробной переработки ила – химическое |
ной обработки ХПК снижается на 95%. При этом про- |
|
потребление кислорода (ХПК) и интенсивность обра- |
цесс характеризуется интенсивным синтезом СО2. |
|
зования биогаза. ХПК – количество кислорода, необ- |
БИОГАЗ. По приблизительным оценкам, в Китае и |
|
ходимое для полного химического окисления пробы |
Индии в настоящее время введены в эксплуатацию |
|
(в данном случае ила) до Н2О и СО2. На практике для |
около 100 000 метантенков. В соответствии с зако- |
|
вычисления ХПК проводят окисление пробы с помо- |
нами о возобновляемых источниках установки, ис- |
|
щью бихромата. Уменьшение показателя ХПК опре- |
пользующие биогаз, появятся также в Германии. |
|
деляет степень минерализации пробы. Биогаз – это |
Сбраживание богатого крахмалом растительного |
|
продукт естественного анаэробного процесса, проис- |
сырья (например, кукурузы) позволит удовлетворить |
|
ходящего в Земле. Природный газ на две трети со- |
энергетическую потребность 3 млн домов. |
|
стоит из метана и на треть – из СО2. В нем также со- |
|
|
держатся небольшие количества H2, N2, H2S и |
|
|
других газов. Точный состав биогаза можно опреде- |
|
|
лить методом газовой хроматографии. |
|
|
ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ. По сравнению с |
|
|
аэробной очисткой сточных вод очистка в анаэроб- |
|
|
ных условиях происходит значительно медленнее |
|
|
(время пребывания ила в метантенке – более 20 сут. |
|
|
Смешанная культура микроорганизмов, необходимых |
|
|
для полноценной переработки ила, развивается в уз- |
|
|
ком диапазоне температур и значений рН, поэтому в |
|
|
течение всего длительного процесса необходим тща- |
|
|
тельный контроль этих параметров. Премущества |
|
114 |
процесса – отсутствие неприятного запаха, характер- |
|
ного для аэробной технологии, а также практически |
|
|
Схема анаэробной очистки воды |
|
|
|
|
|
Облигатные |
|
Метанообразующие |
|
|
или факульта- |
Н2, СО2, |
микроорганизмы |
2/3 CH4* |
|
тивные |
|
||
|
анаэробные |
ацетат |
|
1/3 CO2 |
Отработанный ил: |
бактерии |
|
|
Биогаз |
полисахариды, |
Пропионат, |
Уксуснокислые |
|
|
белки, жиры |
бутират, |
бактерии |
|
|
|
сукцинат, |
|
|
|
|
спирты |
|
|
|
|
|
|
|
* 50–70% |
Метантенк |
|
Анаэробный реактор с неподвижным |
||
Биогаз |
слоем ила |
|
Биогаз |
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
Подача |
Отстойник* |
|
|
|
из аэротенка |
|
|
|
|
|
Слив |
|
|
Очищенная |
|
|
|
вода |
|
|
|
|
|
|
|
|
Взвешенный слой |
|
|
|
|
|
|
Циркуляция |
|
|
|
|
загрязненной |
Ферментер |
|
|
воды |
|
|
|
|
||
Возврат твердых частиц |
Бактерии |
|
|
|
на носителе |
|
|
||
|
|
Подача |
|
|
* Часто встроен в метантенк |
сточных вод |
|
|
|
|
|
|
||
Технические характеристики |
|
|
|
|
|
Метантeнк |
Контактная |
Анаэробный реактор |
|
|
обработка |
с неподвижным слоем |
Высота, объем |
до 30 м, 50000 м3 |
|
до 20 м, 2000 м3 |
Загрузка, кг ХПК/(м3 сут.) |
1–8 |
1–5 |
5–30 |
Время пребывания загрязненных вод, сут. |
10–30 |
0,5–25 |
0,2–1,5 |
Время пребывания микроорганизмов, сут. |
10–30 |
> 20 |
> 100 |
Степень очистки, % ХПК |
30–70 |
60–90 |
80–90 |
|
|
|
|
Производство биогаза в сельском хозяйстве
Биомасса |
|
|
|
Метантенк |
|
|
|
|
|
|
|
|
60–70% конверсии |
Навоз, |
|
Отстойник |
|
C/N – 30:1; 20–60 сут., |
||
сельскохозяйственные |
|
|
|
30–35 °С |
|
биогаза* |
отходы |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
*2–5 м3 биогаза/сут. в расчете на содержание сельскохозяйственных животных массой 1 т. Энергетическая ценность этого биогаза эквивалентна 1–3 л дизельного топлива
Oтверстие |
Отработанный ил |
Oтверстие |
Биогаз |
Отработанный ил |
||||||||||||||||
|
|
|
|
|||||||||||||||||
для заполнения |
для удобрений |
для заполнения |
|
|
|
|
для удобрений |
|||||||||||||
реактора |
|
|
|
|
реактора |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Резервуар |
для газа |
Метантенк
115