Биохимические методы переработки техногенных отходов Часть 1. Биологи
.pdfМинистерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Пермский национальный исследовательский политехнический университет»
БИОХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ПЕРЕРАБОТКИ ТЕХНОГЕННЫХ ОТХОДОВ
В 2 частях
Часть 1
Т.А. Зайцева, Л.В. Рудакова, Е.С. Белик
БИОЛОГИЧЕСКАЯ ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД В АЭРОТЕНКАХ
Утверждено Редакционно-издательским советом университета
в качестве учебного пособия
Издательство Пермского национального исследовательского
политехнического университета
2015
УДК 628.35 Б63
Рецензенты:
д-р биол. наук, проф. Т.С. Уланова (Федеральный научный центр медико-профилактических технологий управления рисками здоровью населения); д-р техн. наук, проф. И.С. Глушанкова (Пермский национальный исследовательский политехнический университет)
Биохимические методы переработки техногенных отБ63 ходов : учеб. пособие : в 2 ч. – Ч. 1. Биологическая очистка сточных вод в аэротенках / Т.А. Зайцева, Л.В. Рудакова, Е.С. Белик. – Пермь : Изд-во Перм. нац. исслед. политехн.
ун-та, 2015. – 226 с.
ISBN 978-5-398-01525-6 Ч. 1. – 226 с.
ISBN 978-5-398-01526-3
Представлены закономерности биохимической очистки сточных вод активным илом, а также механизм и условия процесса. Приведена современная технология и основные направления интенсификации процесса биохимической очистки в аэротенках. Рассмотрены экосистема биохимического очистного сооружения, основные причины и мероприятия по ликвидации нарушений процесса биохимической очистки. Проанализированы методы контроля и оценки работы очистного сооружения. Дано представление об экологической безопасности водного объекта при спуске в него сточных вод, прошедших биохимическую очистку и общие экологические принципы нормирования водных объектов.
Предназначено для студентов высших учебных заведений технического профиля, обучающихся по направлению «Техносферная безопасность». Пособие может быть полезно инженерно-техническим работникам, занятым в сфере природопользования защиты окружающей среды, аспирантам и молодым ученым.
|
УДК 628.35 |
ISBN 978-5-398-01526-3 |
|
ISBN 978-5-398-01525-6 |
© ПНИПУ, 2015 |
ОГЛАВЛЕНИЕ |
|
ВВЕДЕНИЕ.................................................................................................... |
6 |
МОДУЛЬ I. Биохимические процессы деструкции органических |
|
веществ в естественных и искусственных экосистемах. |
|
Классификация биохимически очищаемых сточных вод..................... |
9 |
Глава 1. Сущность метода биохимической деструкции |
|
органических веществ................................................................................ |
11 |
1.1. Механизм биохимической деструкции....................................... |
11 |
1.2. Естественное самоочищение водного объекта........................... |
16 |
1.3. Искусственное загрязнение водоемов......................................... |
17 |
1.4. Зоны сапробности......................................................................... |
20 |
1.5. Влияние различных факторов среды на индикаторные виды |
|
организмов зон сапробности............................................................... |
27 |
Глава 2. Характеристика сточных вод, направляемых |
|
на биохимическую очистку....................................................................... |
31 |
2.1. Хозяйственно-бытовые сточные воды........................................ |
31 |
2.2. Промышленные сточные воды.................................................... |
34 |
Вопросы для самоконтроля ...................................................................... |
40 |
МОДУЛЬ II. Подготовка сточных вод к биохимической очистке |
|
в аэротенках................................................................................................. |
43 |
Глава 3. Предварительная водоподготовка сточных вод |
|
перед их поступлением в биореактор...................................................... |
45 |
3.1. Первичная обработка промышленных сточных вод.................. |
45 |
3.2. Методы водоподготовки промышленных сточных вод |
|
и сооружения очистки. ........................................................................ |
46 |
3.3. Классификация аэротенков и их конструкции........................... |
47 |
Вопросы для самоконтроля ...................................................................... |
71 |
МОДУЛЬ III. Предварительные исследования возможности |
|
биохимической очистки сточных вод..................................................... |
73 |
Глава 4. Подготовительные стадии процесса биохимической |
|
очистки ......................................................................................................... |
75 |
4.1. Определение возможности биохимической деструкции |
|
органических соединений, содержащихся в промышленных |
|
сточных водах ...................................................................................... |
75 |
4.2. Наращивание активного ила для биохимической очистки |
|
промышленных сточных вод.............................................................. |
79 |
|
3 |
4.3. Краткое описание процесса биохимической очистки |
|
смесевого потока сточных вод на примере химического |
|
производства........................................................................................ |
82 |
Вопросы для самоконтроля...................................................................... |
86 |
МОДУЛЬ IV. Характеристика экосистемы аэротенка. |
|
биохимический контроль процесса очистки сточных вод |
|
в аэротенке................................................................................................... |
87 |
Глава 5. Экосистема биохимического очистного сооружения........... |
89 |
5.1. Экологический подход к изучению биосистемы |
|
биохимического очистного сооружения............................................ |
89 |
5.2. Биогенность активного ила.......................................................... |
90 |
5.3. Биоценоз активного ила и его роль в биохимической |
|
очистке................................................................................................ |
103 |
5.4. Функционирование экосистемы активного ила |
|
и экологические факторы, определяющие ее развитие.................. |
118 |
5.5. Сущность процесса биохимической деструкции |
|
органических веществ в аэротенках................................................. |
127 |
5.6. Функционирование и основные типы биоценоза |
|
активного ила..................................................................................... |
131 |
Глава 6. Оценка эффективности работы аэротенка .......................... |
146 |
6.1. Методика технологического контроля работы |
|
биохимического сооружения............................................................ |
146 |
6.2. Оценка биохимической очистки сточных вод |
|
по состоянию активного ила............................................................. |
148 |
6.3. Взаимодействие организмов-индикаторов |
|
с технологическими параметрами очистки..................................... |
163 |
6.4. «Вспухание» активного ила....................................................... |
187 |
Вопросы для самоконтроля.................................................................... |
190 |
МОДУЛЬ V. Интенсификация биологической очистки |
|
сточной воды ............................................................................................. |
193 |
Глава 7. Интенсификация биологической очистки сточной |
|
воды активным илом............................................................................... |
195 |
7.1. Технические приемы улучшения аэрации |
|
при биологической очистке воды..................................................... |
195 |
7.2. Использование технического кислорода для аэрации............. |
201 |
7.3. Воздействие на микроорганизмы физических |
|
и химических факторов..................................................................... |
202 |
7.4. Использование мутагенеза, специальных штаммов |
|
и адаптированных микроорганизмов в очистке сточных вод....... |
203 |
7.5. Чередование аэробных, анаэробных и аноксидных зон.......... |
205 |
4 |
|
7.6. Биоадсорбционный способ биологической очистки |
|
сточных вод........................................................................................ |
208 |
7.7. Методы иммобилизации микроорганизмов ............................. |
212 |
7.8. Влияние различных факторов на иммобилизацию клеток |
|
микроорганизмов на поверхности носителя.................................... |
217 |
7.9. Внедрение метода иммобилизованных культур в практику |
|
очистки сточных вод ......................................................................... |
219 |
Вопросы для самоконтроля .................................................................... |
221 |
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК.................................................. |
222 |
5
ВВЕДЕНИЕ
Интенсивное развитие промышленности приводит к большому потреблению пресных вод и образованию производственных сточных вод, содержащих различные органические вещества, в том числе и ксенобиотические. Наиболее опасными для водных объектов являются сточные воды предприятий химической и нефтехимической промышленности, характеризующиеся сложным и изменяющимся составом растворенных в них веществ.
Для защиты экосистемы водных объектов от разнообразных видов загрязняющих веществ, содержащихся в сточных водах, необходима их очистка с использованием различных методов.
Физико-химические и химические методы, применяемые для очистки некоторых сточных вод, не только обеспечивают необходимое качество их очистки, но и позволяют извлечь из них ценные продукты и снизить производственные потери.
Современные фундаментальные и прикладные экологические исследования, связанные с решением проблемы загрязнения природных вод, позволили разработать основные принципы биохимической очистки сточных вод и осуществить практическое использование этого метода.
Аэрационные биологические очистные сооружения стали практически использовать в начале ХХ в. Систематическое изучение биохимического метода очистки сточных вод и прогресс, достигнутый в области биохимической очистки городских сточных вод, позволили использовать его для очистки производственных сточных вод.
Основная заслуга в развитии технологии биохимической очистки принадлежит отечественным и зарубежным ученым: Н.А. Базякиной, М.М. Калабиной, К.Н. Королькову, Ц.И. Роговской, С.Н. Строганову, Франсмайеру, Нольте, Мейеру, Фромке, Калински и др.
В настоящее время возрастающие мощности биохимических очистных сооружений требуют совершенствования методов куль-
6
тивирования и автоматизации микробиологических процессов. В биотехнологии широко используется моделирование экологических систем, что предполагает применение новых критериев в технологии очистки сточных вод. В связи с этим большое внимание должно уделяться установлению биологических закономерностей при оценке биохимической активности микроорганизмов, продуктивности естественных и селекционных биоценозов, а также поиску оптимальных режимов биохимической очистки с помощью вычислительной техники.
За последние 20 лет в области биотехнологии обобщены фундаментальные и практические знания, лежащие в основе применяемых и разрабатываемых на перспективу технологий очистки сточных вод, а также сформировалось экологическое и ресурсосберегающее технологическое мировоззрение для решения этой проблемы.
Для развития и интенсификации производства требуются специалисты, владеющие современными знаниями теории и практики в области биохимической очистки сточных вод. Это обусловило необходимость написания настоящего учебного пособия с целью повышения уровня подготовки студентов по дисциплинам «Микробиология» и «Биотехнология».
В пособии существенное внимание уделено описанию процесса аэробной биохимической очистки с использованием активного ила и нормативным документам, обеспечивающим экологическую безопасность водных объектов от загрязнения.
Пособие предназначено для студентов высших учебных заведений технического профиля, обучающихся по направлениям «Защита окружающей среды», «Биотехнология», «Химическая технология и биотехнология», «Техносферная безопасность». Пособие может быть полезно инженерно-техническому персоналу, эксплуатирующему очистные сооружения, специалистам в сфере природопользования и охраны окружающей среды, аспирантам и молодым ученым.
7
Изложение теоретического материала базируется на знаниях, умениях и навыках, приобретенных при изучении дисциплин: «Общая экология», «Общая химия», «Физико-химические методы защиты биосферы». Изучение дисциплины позволяет сформировать элементы профессиональных компетенций: способность ориентироваться в основных методах, системах обеспечения техносферной безопасности, обоснованно выбирать известные системы, устройства защиты человека и природной среды от опасностей.
8
Модуль I БИОХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ДЕСТРУКЦИИ ОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ В ЕСТЕСТВЕННЫХ
И ИСКУССТВЕННЫХ ЭКОСИСТЕМАХ. КЛАССИФИКАЦИЯ БИОХИМИЧЕСКИ ОЧИЩАЕМЫХ СТОЧНЫХ ВОД
Представлена краткая сущность метода биохимической очистки, ее механизм и стадии процесса деструкции сточных вод.
Процессы биохимического окисления органических веществ рассмотрены в естественных и искусственных экосистемах.
Дана оценка процессам самоочищения природных и сточных вод на основе зон сапробности, рассмотрены биоценозы индикаторных организмов и влияние на них различных факторов среды. Приведены данные об источниках образования и фи- зико-химических свойствах хозяйственно-бытовых и промышленных сточных вод, степени биоразлагаемости органических веществ промышленных вод различных производств.