Биотехнологии очистки сточных вод. Учебно-методическое пособие

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

К а ф е д р а «Химическая технология и промышленная экология»

БИОТЕХНОЛОГИИ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД

Учебно-методическое пособие

Самара Самарский государственный технический университет

2018

1

Печатается по решению ученого совета СамГТУ (протокол № 9 от 27.04.2018 г.)

УДК 628.3:579.63(075.8) ББК 38.761:28.4я73

Б63

Б63 Биотехнологии очистки сточных вод: учебно-метод. пособие / Сост.

А.Ю. Копнина, Б.Ю. Смирнов. – 2- е изд., перераб. и доп. – Самара: Самар. гос.

техн. ун-т, 2018. – 53 с.: ил.

Изложены основы использования биологических процессов для очистки сточных вод и утилизации образующихся при этом отходов. Приведены методики расчёта основного оборудования – аэротенка и метантенка, а также варианты задач для самостоятельного решения.

Предназначено для студентов бакалавриата, обучающихся по профилю «Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов» направления 18.03.02 «Энерго- и ресурсосберегающие процессы в химической технологии, нефтехимии и биотехнологии».

Рецензент: докт. техн. наук С.Б. Коныгин

УДК 628.3:579.63(075.8) ББК 38.761:28.4я73 Б 63

А.Ю. Копнина, Б.Ю. Смирнов, составление, 2018

Самарский государственный технический университет, 2018

2

1. БИОЛОГИЧЕСКАЯ ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД

Для удаления из сточных вод органических веществ наиболее универсальным методом является биологическая очистка в аэрационных сооружениях.

Биологические методы очистки сточных вод основываются на естественных процессах жизнедеятельности гетеротрофных микроорганизмов. Микроорганизмы способны потреблять в качестве источников питания самые разнообразные органические и некоторые неорганические соединения для получения энергии и обеспечения своего функционирования. Они быстро размножаются (в среднем число бактериальных клеток удваивается через каждые 30 мин) и способны образовывать колонии и скопления, которые сравнительно легко можно отделить от очищенной воды после завершения процессов изъятия содержавшихся в ней загрязнений. При очистке сточных вод, содержащих смесь разнообразных по химическому составу загрязнений, биомасса, осуществляющая очистку, представляет собой смесь (а точнее, сообщество) различных видов микроорганизмов и простейших со сложными отношениями между ними. Как видовой, так и количественный состав биомассы очистных сооружений будет зависеть от конкретного метода биологической очистки и условий его реализации [1].

1.1.ПРИНЦИПЫ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД В АЭРОТЕНКАХ

ИОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ АКТИВНОГО ИЛА

Ваэрационных сооружениях (аэротенках) микробиальная масса находится в жидкости во взвешенном состоянии в виде отдельных хлопьев, представляющих собой скопления микроорганизмов, простейших

иболее высокоорганизованных представителей фауны (коловратки, черви, личинки насекомых), а также водных грибов и дрожжей. Этот биоценоз организмов, развивающихся в аэробных условиях на органических загрязнениях, содержащихся в сточной воде, получил название активного ила. Доминирующая роль в нем принадлежит различным

3

группам бактерий – одноклеточным подвижным микроорганизмам с достаточно прочной внешней мембраной, способным не только извлекать из воды растворенные и взвешенные в ней органические вещества, но и самоорганизовываться в колонии – хлопья, сравнительно легко отделимые затем от очищенной воды отстаиванием или флотацией. Размер хлопьев зависит как от вида бактерий, наличия и характера загрязнений, так и от внешних факторов – температуры среды, гидродинамических условий в аэрационном сооружении и пр.

Хлопьеобразующая способность активного ила зависит главным образом от наличия питательных веществ: при слишком высоком их содержании происходят рассеивание колоний и появление нитчатых форм микроорганизмов; при их недостатке, хотя нитчатые формы микроорганизмов практически отсутствуют, размеры хлопьев ила уменьшаются и ухудшаются его седиментационные свойства. Бактерии имеют такую высокую скорость воспроизводства, что в условиях избыточного питания и отсутствия внешних сдерживающих их рост факторов 1 мг бактерий за 1 сут может привести к образованию десятков тонн живой микробиальной массы. Именно на этой способности к быстрому размножению и, следовательно, высокой скорости потребления питательных веществ и основано использование биологических методов очистки сточных вод [1, 2].

Роль других микроорганизмов и простейших в активном иле заключается в поддержании определенного равновесия видового и количественного состава ила, хорошо приспособленного к тем или иным условиям, существующим в аэрационном сооружении, а также полноты протекания биохимических превращений, которым подвергаются органические соединения.

Способность клетки вырабатывать многообразие ферментов объясняет ее высокую адаптируемость к различным видам и концентрациям загрязнений, присутствующих в сточных водах. Именно с этим связано постоянное расширение области применения биохимических методов очистки сточных вод от производственных загрязнений.

По современным представлениям, активный ил – это скопление микроорганизмов, в которых клетки окутаны густой «паутиной» рас-

4

творимых или слаборастворимых внеклеточных полимерных образований, состоящих из полисахаров, протеинов, рибонуклеиновых и дезоксинуклеиновых кислот (РНК, ДНК), которые содержат много «ключевых» функциональных групп (карбоксильные, гидроксильные, сульфгидрильные и др.), ведущих себя как анионные связующие площадки. Биохимическое и биофизическое взаимодействие между хлопьями ила и загрязнениями позволяет довольно быстро извлекать из воды не только растворенные, но и нерастворенные загрязнения за счет сорбции их активным илом, хотя они и не успевают гидролизоваться клеточным веществом. Суммарная поверхность микроорганизмов достигает 100 м2 на 1 г сухого вещества ила, что, в свою очередь, объясняет огромную сорбционную способность ила и потребность в эффективном перемешивании содержимого бассейна. Основная масса изъятых таким образом мелкодисперсных и коллоидных загрязнений, не задержанных в первичных отстойниках, не гидролизуется и, следовательно, не окисляется активным илом, что приводит лишь к весовому увеличению массы ила в аэрационном сооружении. Для технологического и конструктивного оформления процесса биологической очистки определяющими будут являться скорости изъятия загрязнений из очищаемой воды, т.е. собственно процесса очистки воды, и скорости биохимического разложения изымаемых загрязнений. В этой связи представляют интерес основные закономерности развития колонии микроорганизмов, вводимой в контакт с жидкостью, содержащей питательные вещества, при достаточном обеспечении ее растворенным кислородом. В этом развитии можно выделить следующие фазы (рис. 1) [1]:

– I – лаг-фазу, или фазу адаптации, которая наблюдается сразу после введения микробиальной культуры в контакт с питательной средой и в которой практически не происходит прироста биомассы. Длительность этой фазы зависит как от природы органических веществ и степени адаптированности микроорганизмов к ним, так и от условий, в которые вносится микробиальная масса;

5

Из рис. 1 видно, что отмеченным фазам роста микробиальной массы соответствует и динамика изменения концентрации питательных веществ, выраженных через БПК, и, следовательно, можно сделать следующие важные для технической реализации процесса заключения:

–при биологической очистке значительная часть загрязнений, содержащихся в сточных водах, трансформируется в биологическую массу или, иными словами, растворенные и инертные взвешенные органические вещества в результате метаболической активности микроорганизмов и сорбционной способности активного ила превращаются в биологическую массу, сравнительно легко отделимую от очищенной воды;

–длительность изъятия и окисления содержащихся в сточной воде органических загрязнений будет тем меньше, чем дольше масса микроорганизмов будет в контакте с ними;

–при падении содержания органических веществ в очищаемой жидкости ниже определенного предела жизнедеятельность микроорганизмов продолжается, но уже либо за счет накопленных питательных веществ, либо за счет их собственной массы, т.е. отмирания и окисления микроорганизмов со снижением общей их массы (процесс самоокисления).

Физиологическое состояние клеток не остается постоянным в различных фазах роста биомассы и будет характеризоваться их различной метаболической активностью. Так, если в фазах II и III идет бурный рост биомассы, культура «омолаживается», и в ней преобладают новые клетки, то в фазе IV наблюдается равновесие между ростом живых и распадом отмерших клеток, а в фазе V наблюдается преобладание отмирания клеток над их ростом. Возраст микробиальной культуры оказывает существенное влияние на скорость биохимических процессов, протекающих в биологическом реакторе, и его поддержание в определенном диапазоне позволит обеспечить оптимальные условия развития биомассы для достижения поставленных технологических параметров изъятия и окисления органических загрязнений из сточных вод, поступающих в аэрационное сооружение.

7

Необходимый возраст микробиальной культуры, ее высокая метаболическая активность и хорошая седиментационная способность достигаются поддержанием лишь необходимого количества биомассы в аэрационном сооружении за счет выведения из него ее прироста и обеспечением соответствующей длительности контакта биомассы с загрязнениями.

Соотношение между количеством питания и массой микроорганизмов в биологическом реакторе является важнейшей характеристикой, определяющей условия протекания в нем биохимических процессов. Применительно к аэрационным сооружениям эта характеристика получила название нагрузки загрязнений на ил. Под ней понимается количество поступающих со сточной водой загрязнений, приходящееся на единицу массы ила в единицу времени. Выражается эта величина обычно в мг или г загрязнения (ХПК, БПК или любого другого загрязнения) на 1 г сухого вещества ила в 1 ч или в 1 сут. В последние годы нагрузку загрязнений рассчитывают не на 1 г сухого вещества ила, а на 1 г сухого беззольного вещества ила, что в какойто мере позволяет учитывать метаболическую активность ила. Это связано с тем, что в активном иле присутствует около 25–35 % по массе минеральных веществ, не входящих в состав его микробиальных клеток и не участвующих в биохимических процессах. Беззольное вещество ила также не выражает однозначно активную часть ила, так как в нем могут присутствовать накопленные, но не превращенные в живые микробиальные клетки органические беззольные вещества.

Массу ила в аэрационном сооружении выражают через его концентрацию в иловой смеси в граммах сухого вещества ила в 1 л или в 1 м3 иловой смеси. Концентрацию активного ила, поддерживаемую в эксплуатационном режиме аэрационного сооружения, называют дозой активного ила, аi, или рабочей дозой. Таким образом, среднюю нагрузку на активный ил, например, по загрязнениям, выраженным через БПК, можно представить как

8

где Len – БПК поступающей в аэрационное сооружение сточной жидкости, мг/л или г/м3;

s – зольность ила, доли единицы;

ai – доза ила, выражаемая в г/л, если БПК выражена в мг/л, и в г/м3, если БПК выражена в г/м3;

tat – длительность пребывания жидкости в аэрационном сооруже-

нии [1, 2].

Тогда нагрузка на ил выразится в граммах поступающей БПК на 1 г беззольного вещества сухого ила в 1 ч.

Однако средняя нагрузка на ил еще не означает, что все поступившее в сооружение количество загрязнений будет изъято активным илом. В биологически очищенной сточной воде может оставаться количество загрязнений, зависящее от глубины очистки сточной воды. При полной биологической очистке после отделения активного ила это количество составляет 12-20 мг/л по БПКполн. Разница между поступающей в аэрационное сооружение и выходящей из него БПКполн называется снятой БПКполн, а ее отношение к массе ила и длительно-

сти аэрации – удельной скоростью изъятия загрязнений из очищае-

мой воды, т.е, скоростью очистки. Последнюю выражают в мг или г БПКполн на 1 г беззольного вещества ила в 1 ч.

Хотя математические выражения нагрузки на ил и скорости изъятия загрязнений похожи, между этими параметрами имеется глубокое различие. Если нагрузка на ил носит скорее физический смысл и в определенной степени может иметь даже произвольный характер, то удельная скорость изъятия загрязнений отражает биохимическую сущность процесса потребления загрязнений и их окисления активным илом, находящимся в тех или иных конкретных технологических условиях (нагрузка на ил тоже будет одним из этих условий). Удельная скорость изъятия загрязнений будет зависеть от химической природы этих загрязнений, их концентрации в сточной воде, нагрузки загрязнений на активный ил, требуемой глубины их изъятия, наличия

9

веществ, угнетающих биохимические процессы, степени адаптированности активного ила к загрязнениям, подлежащим изъятию, температуры сточных вод, гидродинамических условий в аэрационном сооружении и пр. Другими словами, удельная скорость изъятия загрязнений – это то количество загрязнений, которое может быть снято 1 г беззольного вещества сухого ила в 1 ч в заданных условиях реализации процесса биохимической очистки. Значение этого параметра устанавливается экспериментальным путем. Средняя нагрузка на ил и удельная скорость очистки связаны между собой тем, что для конкретных заданных условий технологической реализации процесса наибольшая скорость потребления загрязнений при обеспечении требуемой глубины их изъятия достигается лишь при определенных нагрузках загрязнений на ил. Это означает, что если нагрузка на ил велика, то активный ил с ней не справится и требуемое качество очистки не будет обеспечено. Если же нагрузка на ил будет мала, то активный ил будет испытывать недостаток питания и, следовательно, «недорабатывать», а в определенных границах недогрузки будет иметь место самоокисление активного ила и падение рабочей дозы ила в аэротенке.

Исходя из нагрузки на активный ил, аэротенк может быть охарактеризован как высоконагружаемый при нагрузках свыше 0,5 г БПКполн на 1 г беззольного вещества сухого ила в сутки, имеющий среднюю нагрузку при qi в пределах 0,15–0,5 г БПКполн на 1 г беззольного вещества сухого ила в сутки и низконагруженный при qi в пределах ~ 0,065– 0,15 г БПКполн на 1 г беззольного вещества сухого ила в сутки [1].

Из формул (1) и (2) видно, что и средняя нагрузка на ил, и удельная скорость очистки могут поддерживаться на определенном уровне при соблюдении постоянства произведения ai tat, т.е. дозы ила на длительность его воздействия на загрязнения. Условно говоря, увеличивая дозу ила в сооружении и пропорционально сокращая длительность пребывания иловой смеси в аэрационном сооружении можно было бы соответственно уменьшить его объемы. Однако доза ила в аэрационном сооружении не может назначаться произвольно. Как

10