Современные проблемы экологии, энерго- и ресурсосбережения в биотехнологии. Лабораторный практикум

тельность удаления примесей, возможность получения шлама с низкой влажностью и повторного использования удаляемых веществ. Эффективность очистки сточных вод флотацией может достигать 90–95 %.

Флотацию применяют для очистки сточных вод, содержащих по- верхностно-активные вещества, нефть и продукты ее переработки, масла и волокна [7].

Цель работы

Ознакомление с коагуляцией и флокуляцией как методами очистки сточных вод.

Аппаратура, лабораторная посуда, материалы, реактивы

1,0%-ный раствор Al2(SO4)3; 1,0%-ный раствор полиакриламида; шесть мерных цилиндров вместимостью 100 мл; шесть стеклянных палочек; две пипетки вместимостью 2 мл; секундомер.

Последовательность выполнения работы

В 6 мерных цилиндров вместимостью 100 мл влить по 50 мл сточной воды и внести пипетками различные объемы растворов коагулянта и флокулянта: в первый цилиндр 2 мл Al2(SO4)3, во второй – 1,5 мл Al2(SO4)3 и 0,5 мл полиакриламида, в третий – 1 мл Al2(SO4)3 и 1 мл полиакриламида, в четвертый – 0,5 мл Al2(SO4)3 и 1,5 мл полиакриламида, в пятый – 2 мл полиакриламида. Шестой цилиндр использовать в качестве контроля.

Пробы интенсивно перемешивать стеклянными палочками в течение 20–30 с. Затем мерные цилиндры оставить в покое на 1, 2, 3, 4, 5, 10, 15, 30, 45 мин и наблюдать за образованием и осаждением хлопьев, измеряя в течение указанного времени высоту осадка в мм. По полученным данным построить графики зависимости высоты образующегося осадка от времени [4].

Получаемые результаты

Графики зависимости высоты образующегося осадка веществ, загрязняющих сточные воды, от времени.

21

Содержание отчета

Содержание отчета приведено в приложении.

Контрольные вопросы

1.Какова сущность процесса коагуляции?

2.Каков механизм процесса коагуляции?

3.Для чего используют коагуляцию в процессе очистки сточных вод?

4.Какие вещества используют для очистки сточных вод при помощи коагуляции?

5.От чего зависит выбор коагулянта, применяемого для очистки сточных вод?

6.Где применяют очистку сточных вод коагуляцией?

7.Какова сущность процесса флокуляции?

8.Каков механизм процесса флокуляции?

9.Какие вещества используются в качестве флокулянтов?

10.Какие стадии выделяют в процессах коагуляции и флотации?

11.Какова сущность процесса флотации?

12.Каковы преимущества очистки сточных вод флотацией?

13.Для удаления каких веществ из сточных вод используют флотацию?

22

Лабораторная работа № 5 ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ АКТИВНОГО ИЛА

Биологические методы часто применяют для очистки сточных вод, содержащих органические загрязнители.

Некоторые наиболее распространенные способы биологической очистки основаны на минерализации органических и минеральных загрязнений сточных вод активным илом [7].

Активный ил представляет собой коричневые хлопья размером от 0,1–0,5 до 2–3 мкм, примерно на 70 % состоящие из частично живых, частично отмирающих организмов и на 30 % – из твердых частиц неорганической природы.

Биоценоз активного ила образован большим количеством представителей разнообразных родов бактерий, грибов, простейших, коловраток, круглых червей и малощетинковых кольчатых червей. Живые организмы, входящие в состав активного ила, активно используют различные органические загрязнители, входящие в состав сточной воды, в качестве источников углерода, азота и других необходимых для конструктивного метаболизма клетки веществ [5, 7].

Интенсивность и глубина протекания процессов очистки сточных вод зависит от разнообразия форм и видов микроорганизмов и других живых организмов, входящих в состав активного ила, их количества и способности адаптироваться к конкретному составу загрязняющих веществ сточных вод, а также условий проведения процесса [7].

Для работы очистных сооружений важны показатели, характеризующие видовую структуру и разнообразие биоценозов активного ила как индикаторов качества работы очистных сооружений, физиологическую и биохимическую активность биоценозов и способность активного ила к осаждению во вторичных отстойниках.

Для наблюдения за изменением биоценоза активного ила и получения количественных зависимостей принято использовать такие характеристики как обилие (число особей на единицу площади или объема), частота и постоянство различных видов живых организмов активного ила.

23

Наиболее часто определяемые физиологические и биохимические характеристики активного ила:

–дыхательная активность позволяет оценить концентрацию микроорганизмов в среде;

–скорость окисления аммонийных ионов и образования нитратов дает возможность оценить содержание бактерий-нитрификаторов;

–дыхательный тест с нитратом в качестве акцептора электронов позволяет оценить количество денитрифицирующих бактерий;

–показатели ферментативной активности: дегидрогеназной, каталазной, каталазно-пероксидазной и др. дают возможность оценить интенсивность протекания процессов деструкции веществ, загрязняющих сточные воды;

–количественное измерение содержания белка, ДНК и АТФ позволяет определить содержание биомассы на фоне наличия большого количества минеральных и органических взвесей.

Одним из наиболее важных показателей качества активного ила является быстрота его осаждения в отсутствие аэрации. Ухудшение осаждаемости может привести к вымыванию ила из вторичного отстойника, поэтому чем хуже способность ила к осаждению, тем меньше должна быть гидравлическая нагрузка на вторичный отстойник.

Способность активного ила к оседанию характеризуется величиной илового индекса или индекса ила. Иловый индекс – это объем (в мл), который занимает 1 г ила через 30 мин отстаивания.

Зависимость осаждаемости активного ила от величины илового индекса приведена в табл. 5.1 [5].

Хороший активный ил полностью оседает за 15–20 мин, а в дальнейшем уплотняется незначительно. Активный ил, имеющий плохую осаждаемость, характеризуется неудовлетворительным хлопьеобразованием и неразвитой поверхностью хлопьев и флокул, что также снижает его окислительную способность [5, 7].

Иловый индекс является общепринятым критерием оценки седиментационных свойств активного ила.

24

Таблица 5.1

Зависимость осаждаемости активного ила от величины илового индекса [5]

Наряду с индексом ила для оценки качества активного ила используют следующие показатели:

–индекс плотности ила – концентрация активного ила в фазе ила после 30 мин осаждения,

–объем ила – соотношение объема фазы ила через 30 мин отстаивания и исходного объема иловой смеси, выраженное в процентах [5].

Цель работы

Получить представление о биологической очистке сточных вод и ознакомиться с определением некоторых параметров активного ила.

Аппаратура, лабораторная посуда, материалы, реактивы

Весы лабораторные общего назначения 2-го класса точности с наибольшим пределом взвешивания 300 г; металлический шпатель; сушильный электрический шкаф СЭШ-3М; электрическая плитка; стеклянная палочка; мерный цилиндр вместимостью 100 мл; фильтровальная бумага «синяя лента»; фарфоровая чашка; воронка диаметром 10 или 15 см; стакан или колба вместимостью 150 мл; эксикатор с оксидом кальция; секундомер; избыточный активный ил.

Последовательность выполнения работы

1. Определение концентрации активного ила

Перемешать иловую смесь стеклянной палочкой для усреднения состава активного ила.

25

Мерным цилиндром отобрать 100 мл иловой смеси и профильтровать ее через предварительно взвешенный складчатый фильтр «синяя лента» в стакан или колбу вместимостью 150 мл. Частички ила, прилипшие к стенкам цилиндра, смыть небольшим количеством фильтрата. Фильтр подсушить на воздухе.

Фарфоровую чашку высушить в сушильном шкафу при температуре 105 ° С до постоянной массы, охладить в эксикаторе с оксидом кальция и взвесить на лабораторных весах.

Подсушенный на воздухе фильтр поместить в подготовленную фарфоровую чашку, высушить в сушильном шкафу при температуре 105 ° С до постоянной массы, охладить в эксикаторе с оксидом кальция и взвесить на лабораторных весах.

Концентрацию активного ила вычислить по формуле (5.1).

2. Определение илового индекса

Фарфоровую чашку высушить в сушильном шкафу при 105 ° С до постоянной массы, охладить в эксикаторе с оксидом кальция и взвесить на лабораторных весах.

Иловую смесь тщательно перемешать стеклянной палочкой, налить в мерный цилиндр до метки 100 мл и отстаивать в течение 30 мин.

По истечении указанного времени отметить объем осевшего ила в миллилитрах. Затем, не взмучивая осадок, слить воду, а осадок поместить в предварительно подготовленную фарфоровую чашку.

Воду выпарить на электрической плитке. Затем перенести чашку с остатком в сушильный шкаф и высушить при температуре 105 ° С до постоянной массы, охладить в эксикаторе с оксидом кальция и взвесить на лабораторных весах.

Определить массу сухого вещества. Иловый индекс вычислить по формуле (5.2) [7].

Получаемые результаты

Концентрацию активного ила вычислить по формуле

26

Содержание отчета приведено в приложении.

Контрольные вопросы

1.В чем заключаются суть и механизм биологической очистки сточных вод?

2.Что собой представляет активный ил, каковы его составляющие?

3.Какие микроорганизмы входят в состав биоценоза активного ила?

4.Что такое иловый индекс, каково его назначение?

5.Какие характеристики активного ила принято определять при наблюдении за изменением его биоценоза?

6.Перечислите наиболее часто определяемые физиологические и биохимические характеристики активного ила.

7.Какой показатель является общепринятым критерием оценки седиментационных свойств активного ила?

8.Что такое иловый индекс?

9.В течение какого времени оседает хороший активный ил?

10.Какие недостатки имеет плохо оседающий активный ил?

11.Какие показатели используют для оценки качества активного ила наряду с иловым индексом? Дайте их краткую характеристику.

12.Как определить концентрацию активного ила?

13.Как определить иловый индекс?

27

Лабораторная работа № 6 ОПРЕДЕЛЕНИЕ БИХРОМАТНОЙ ОКИСЛЯЕМОСТИ

ПРИРОДНЫХ ВОД

Природные воды всегда содержат органические вещества.

С санитарно-гигиенической точки зрения их делят на две группы:

1)автохтонные органические вещества, которые представляют собой продукты обмена веществ, а также биохимического распада растительных и животных остатков (главным образом планктона);

2)аллохтонные органические вещества, которые представляют собой продукты разложения различных отходов, поступающих в экосистему со сточными водами.

Обогащение поверхностных вод органическими веществами происходит за счет поступления их из подземных водоносных горизонтов, промышленных, хозяйственно-бытовых и сельскохозяйственных стоков или с водосборной площади, образования в самом водоеме [8].

В природных водах постоянно протекают окислительновосстановительные процессы превращения органических соединений. Одним из непременных условий существования водных экосистем являются процессы разложения органических соединений.

В аэробных условиях окисление органических веществ происходит с участием кислорода воздуха. В анаэробных условиях микроорганизмы окисляют органические соединения, используя кислород, входящий в состав различных химических веществ (например, сульфатов и нитратов), либо осуществляя процессы брожения (например, спиртовое, маслянокислое и другие).

В воде может содержаться большое количество различных органических соединений, поэтому определение каждого из них нецелесообразно. Наиболее распространенной характеристикой суммарного содержания органических веществ в воде является «окисляемость»

[8]– общее количество содержащихся в воде восстановителей (чаще органических соединений), вступающих в реакции с сильными окислителями, например бихроматом калия, перманганатом калия и дру-

28

гими веществами [7], выраженное в миллиграммах кислорода на 1 л воды (мг О2/л). Окисляемость показывает, какое количество органических веществ содержится в исследуемой воде [7].

В зависимости от применяемого окислителя различают два вида окисляемости: перманганатную (окислитель – KMnO 4) и бихроматную (окислитель – K 2Cr2O7). Во избежание ошибки в исследуемой воде предварительно выявляют неорганические восстановители (Fe2+, SO32-, H2S), затем приливают заведомо избыточное количество окислителя и проводят окисление. После этого определяют количество окислителя, которое осталось непрореагировавшим, и по разности рассчитывают окисляемость анализируемой воды [8].

Перманганатная окисляемость или перманганатный индекс является мерой загрязнения воды органическими и окисляемыми неорганическими веществами. Определение перманганатного индекса не позволяет оценить теоретическое потребление кислорода или общее содержание органических веществ, так как многие органические соединения перманганатом калия окисляются лишь частично [7]. Поэтому определение перманганатной окисляемости используют главным образом как экспресс-метод качественной оценки состояния природных вод [8].

Наиболее полно (на 90–100 %) различные химические вещества окисляются бихроматом калия, поэтому бихроматную окисляемость нередко называют «химическим потреблением кислорода» (ХПК).

Бихромат калия, окисляя находящиеся в воде органические примеси, сам восстанавливается до солей трехвалентного хрома. Зная концентрацию бихромата калия до и после окисления, можно рассчитать, какое его количество израсходовано на окисление примесей воды [1].

Однако в природе имеется небольшое число соединений (бензол, толуол, пиридин и др.), которые совсем не окисляются бихроматом калия даже в присутствии катализатора.

ХПК применяют для оценки первоначально состояния и степени очистки бытовых и промышленных сточных вод, водотоков и водоемов (табл. 6.1).

29

Таблица 6.1

Величины ХПК в водоемах с различной степенью загрязненности

Нормативы ХПК воды водоемов культурно-бытового водопользования составляют 30 мг О2/л.

Точнее оценить естественные процессы, протекающие в водоемах, позволяет определение биохимического потребления кислорода (БПК) – количества кислорода (мг), необходимого для окисления находящихся в 1 л воды органических веществ в аэробных условиях при 20 ° С в результате протекающих в воде биохимических процессов за определенный период времени (5 и 21 суток). Наиболее распространен метод установления величины БПК по разности содержания растворенного кислорода до и после инкубации пробы воды, с внесенными в нее микроорганизмами, при стандартных условиях (20 ° С, аэробные условия, без доступа воздуха и света). Обычно определяют БПК за 5 суток инкубации (БПК5), однако содержание некоторых химических веществ более информативно характеризуется величиной БПК за 10 суток инкубации (БПК10) или за период полного окисления (БПКполн). Ориентировочно принимают, что БПК5 со-

ставляет около 70 % БПКполн, но может составлять от 10 до 90 % в зависимости от окисляющегося вещества.

Полная биологическая потребность в кислороде БПКполн для внутренних водоемов рыбохозяйственного назначения при 20 ° С не должна превышать 2 мг O2/л.

Для водоемов с хорошо сбалансированной экосистемой показатели ХПК и БПК отличаются незначительно (на величину органических веществ, используемых для построения клеток микроорганизмов). Для водоемов, загрязненных в основном химическими и только незначи-

30