Биохимические методы очистки сточных вод. Учебное пособие

МИНИCTEPCTBO ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «СЕВЕРО-КАВКАЗСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Н. В. Барабаш

БИОХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

Направление подготовки 280700.62 – Техносферная безопасность Профиль подготовки «Инженерная защита окружающей среды»

Бакалавриат

Ставрополь

2015

ПРЕДИСЛОВИЕ

Обеспечение населения России питьевой водой является для многих регионов нашей страны одной из приоритетных проблем, решение которой необходимо для сохранения здоровья, улучшения условий деятельности и повышения уровня жизни населения.

Основным источником питьевого водоснабжения является речной сток, среднемноголетние ресурсы которого составляют 4262 км3, при значительной неравномерности его распределения по территории страны. Другим источником питьевого водоснабжения служат подземные воды, потенциальные эксплуатационные ресурсы которых превышают 300 км3 в год.

Качество вод поверхностных водных объектов России в большинстве случаев не отвечает нормативным требованиям и оценивается как неудовлетворительное почти для всех видов водопользования.

Действующая в стране система водоснабжения населения находится в чрезвычайно плохом состоянии. Более 40 % водопроводов с забором воды из поверхностных водных источников, обеспечивающих 68 % водопотребителей в городах и поселках городского типа и около 10 % в сельской местности, не имеют необходимого комплекса очистных сооружений для обеззараживания и очистки воды; по многим водозаборам не соблюдаются режимы зон санитарной охраны.

Загрязнение водных объектов – источников питьевого водоснабжения – при недостаточной эффективности работы водоочистных сооружений влечет за собой ухудшение качества подаваемой потребителям питьевой воды и создает серьезную опасность для здоровья населения во многих регионах России, обусловливает высокий уровень заболеваемости кишечными инфекциями, гепатитом, увеличивает степень риска воздействия на организм человека канцерогенных и мутагенных факторов.

В Ставропольском крае по результатам проведеннои инвентаризации имеется 1970 водоемов, в число которых входят 225 малых рек, 484 водоема емкостью более 100 тыс. м3, 178 водоемов емкостью более 500 тыс. м3, 82 водохранилища вместимостью более 10 млн м3 в составе бассейнов рек Кубань, Кума, Калаус и Егорлык. Воды всех

3

рек Ставропольского края квалифицируются как «умеренно загрязненные», «загрязненные» и «грязные» [1].

В крае отмечается устойчивый дисбаланс водоснабжения и водоотведения. При ежесуточнойи подаче питьевой воды населению края в объеме 1 млн 250 тыс. м3/сутки, очистке подвергается менее 50 % образующихся стоков. Это связано с низкими темпами строительства разводящих канализационных сетей и коллекторов.

Охват сетями канализации населенных пунктов от 10 до 100 %, кроме того, существующие сети и коллектора требует замены. Из 40 очистных сооружении канализации только 9 работают на полную мощность, 31 функционирует с недогрузкои, из них 4 с загруженностью менее 10 % по причине отсутствия сетеи канализации и спада производства крупных промышленных предприятии.

Санитарно-техническое состояние ряда комплексов очистных сооружении канализации (ОСК) неудовлетворительное. Износ технологического оборудования составляет от 30 до 95 %. Практически вышли из строя ОСК в городах Светлограде, Зеленокумске, селах Красногвардеиском, Новоселицком, станице Незлобнои [1].

Целями освоения дисциплины «Биохимические методы очистки сточных вод» являются: развитие у студентов знаний о методах очистки сточных вод и существующих и перспективных технологиях очистки воды, выступающей результатом заявленных в ФГОС ВПО профессиональных компетенций (организационно-управлен- ческих и экспертных, надзорных и инспекционно-аудиторских) по направлению 280700.62 – Техносферная безопасность (квалификация – бакалавр).

Задачами освоения дисциплины являются:

–дать представление о физико-химической характеристике сточных вод коммунально-бытового хозяйства;

–изучить методы очистки сточных вод системы городской канализации;

–изучить биологические методы очистки сточных вод;

–дать представление о специальных методах очистки сточных

вод.

Дисциплина «Биохимические методы очистки сточных вод» входит в базовую часть Б.3 «Математического и естественнонаучного цикла» и относится к дисциплине по выбору подготовки ба-

4

калавра направления 280700.62 – Техносферная безопасность. Ее освоение происходит в 7 семестре.

Изучение дисциплины требует основных знании, умении и компетенции студента по курсам: «Физика», «Химия», «Высшая математика», «Ноксология», «Биология человека и животных».

Дисциплина является предшествующей для дисциплин профессионального цикла: «Управление техносферной безопасностью», «Техника защиты окружающей среды», «Управление охраной окружающей среды», «Обработка. Обеззараживание и утилизация осадков сточных вод».

Врезультате освоения дисциплины обучающийся должен

знать:

– способы очистки сточных вод;

– современные технологии биологической очистки сточных вод;

– основное технологическое оборудование, используемое при водоочистке;

– направления использования отходов, образующихся при водоочистке в качестве вторсырья;

– экологические требования к полигонам для хранения отходов водоочистки.

Врезультате освоения дисциплины обучающийся должен

уметь:

– определять допустимую экологическую нагрузку на окружающую среду;

– управлять природоохранной деятельностью с учетом отраслевой специфики;

– планировать и осуществлять мероприятия по предупреждению и ликвидации последствий аварий и катастроф природного и антропогенного характера на предприятиях биохимической очистки сточных вод;

– применять технику ограничения антропогенного воздействия на окружающую среду, современные методы и средства инженерной защиты окружающей среды.

Врезультате освоения дисциплины обучающийся должен владеть навыками проведения практических исследований состояния сточных вод до и после биохимической очистки.

5

РАЗДЕЛ 1. СТОЧНЫЕ ВОДЫ, ИХ ВИДЫ

1. СОСТАВ И СВОЙСТВА СТОЧНЫХ ВОД. НЕРАСТВОРЕННЫЕ ВЕЩЕСТВА СТОЧНЫХ ВОД

Вгородах и других населенных местах образуются загрязнения различного характера, связанные с повседневной деятельностью человека. К таким загрязнениям относятся физиологические отбросы человека и животных, а также загрязненные воды из бань, прачечных, ванн, душей, от мытья продуктов питания, посуды, помещений, улиц и др. В большом количестве образуются загрязнения и на промышленных предприятиях: это получающиеся в результате технологических процессов отбросы и отходы, разбавленные в той или иной степени водой.

Вода, которая была использована для различных нужд и получила при этом дополнительные примеси (загрязнения), изменившие ее химический состав или физические свойства, называется сточной жидкостью.

Содержащиеся в сточной жидкости органические загрязнения могут загнивать и служат благоприятной средой для развития микроорганизмов, в том числе патогенных (организмы, которые вызывают инфекционные заболевания).

Содержащиеся в сточной жидкости различные химические соединения, нефтепродукты, жиры, масла, смолы, ядовитые вещества способны убить все живое на земле и в водоемах. Накопление сточной жидкости на поверхности и в глубине почвы, а также в водоемах вызывает загрязнение окружающей местности и атмосферы, исключает возможность использования водоемов для хозяйственных целей и является причиной возникновения инфекционных заболеваний.

Взависимости от происхождения сточные воды разделяют на бытовые (хозяйственно-фекальные), производственные (промышленные) и атмосферные [6].

Бытовые сточные воды по природе загрязнения делятся на фекальные, поступающие из уборных и загрязненные в основном физиологическими отбросами, и хозяйственные, поступающие из раковин, умывальников, ванн, трапов, а также из бань, прачечных,

душей, после мытья помещений и др.

6

Состав бытовых сточных вод более или менее однообразен. Производственные сточные воды образуются в результате за-

грязнения водопроводной воды в процессе использования в производстве. Производственные сточные воды делятся на загрязненные и условно-чистые.

Состав и концентрация загрязнений производственных сточных вод весьма разнообразны, так как они зависят от специфики производства, выпускаемой продукции и особенностей технологического процесса. Некоторые производства дают несколько видов сточных вод с различным составом и концентрациями загрязнений. Загрязненные производственные сточные воды могут быть подразделены на содержащие в основном органические загрязнения и содержащие в основном минеральные загрязнения. Условно-чистые воды, содержащие весьма малое количество загрязнений, можно спускать в водоем без очистки.

Атмосферные сточные воды образуются в результате выпадения дождей и таяния снегов и делятся соответственно на дождевые

италые. Отвод и обезвреживание атмосферных сточных вод также входит в задачу канализации.

Атмосферные сточные воды содержат преимущественно минеральные загрязнения и в меньшем количестве органические. Атмосферные сточные воды, образующиеся на территориях промышленных предприятий, содержат отходы и отбросы соответствующих производств. Для атмосферных сточных вод характерна большая неравномерность поступления в канализацию. В сухую погоду они совсем отсутствуют, а в период сильных, ливней их количество бывает весьма значительным. Поддержание санитарного благополучия городов и других населенных мест, а также промышленных предприятий возможно только при своевременном удалении с занимаемой ими территории сточных вод с последующей их очисткой

иобеззараживанием.

Загрязнения сточных вод могут быть минеральными и органическими. К минеральным загрязнениям относятся песок, глина, шлак, бой стекла, растворы минеральных солей, кислот и щелочей. Органические загрязнения бывают растительного происхождения (остатки плодов, овощей, растений, бумага, растительные масла и пр.) и животного происхождения (физиологические выделения людей и животных, остатки тканей живых организмов, органические

7

кислоты, различные бактерии, в том числе и болезнетворные, дрожжевые и плесневые грибки, мелкие водоросли – бактериальные и биологические загрязнения). В бытовых сточных водах содержатся такие болезнетворные (патогенные) бактерии, как возбудители заболеваний брюшного тифа, паратифа, дизентерии, сибирской язвы, а также яйца гельминтов (глистов), поступающие в сточные воды

сфизиологическими выделениями людей и животных. Возбудители заболеваний содержатся и в некоторых производственных сточных водах [10].

По физическому состоянию загрязнения сточных вод делятся на растворенные и нерастворенные, обладающие различной дисперсностью.

Степень загрязнения сточных вод характеризуется содержанием в них взвешенных и оседающих веществ, их биохимической и химической потребностью в кислороде, содержанием в них отдельных химических элементов и соединений, их активной реакцией и др. Нерастворенные вещества находятся в сточных водах в виде крупной взвеси, суспензий, эмульсии и пены, представляя собой загрязнения сточных вод нерастворенными примесями обычно оценивают по содержанию в воде так называемых взвешенных веществ. Взвешенные вещества составляют ту часть нерастворенных примесей, которая задерживается на бумажном фильтре при фильтровании через него воды. Весовое количество взвешенных веществ определяют после высушивания их при температуре 105 0С, т. е. в сухом состоянии. Часть взвешенных веществ, состоящая из грубодисперсных частиц

сбольшим удельным весом, под действием силы тяжести может выпадать из воды в осадок. Другая часть взвешенных веществ, состоящая из мелкодисперсных частиц, удельный вес которых близок к удельному весу воды, может не осаждаться и оставаться во взвешенном состоянии.

Взвешенные вещества, выпадающие из воды на дно сосуда после ее двухчасового отстаивания, называются оседающими веществами. Содержание оседающих веществ в воде определяют путем отстаивания ее в сосудах Лисенко объемом 500 или 1000 см3. Разность содержания взвешенных веществ в воде до отстаивания и после двухчасового отстаивания равна содержанию оседающих веществ [8].

8

Содержание взвешенных и оседающих веществ, измеряемое в мг/л (миллиграммов сухого вещества в 1 л воды), г/л или г/дм3 (граммов сухого вещества соответственно в 1 л или 1 дм3 воды), называется концентрацией взвешенных и оседающих веществ. Часто содержание оседающих веществ характеризуется объемом осадка, выпавшего из единицы объема осветляемой воды. Тогда оно измеряется в см3/л (кубических сантиметров осадка в 1 л воды). Измерение этой величины также производят в сосуде Лисенко. Благодаря малому диаметру основания сосуда достигается высокая точность измерения объема осадка.

Количество взвешенных веществ, попадающих в воду от одного жителя города в сутки, практически постоянно и равно 65 г. Из них оседающие вещества составляют 40 г [6].

Концентрация взвешенных или оседающих веществ может

где a – количество взвешенных или оседающих веществ, попадающих в сточную воду от одного жителя города, в г;

n – норма водоотведения.

Величины концентрации взвешенных и оседающих веществ, вычисленные по этой формуле при разной норме водоотведения, приведены в таблице 1.1 [9].

Концентрация взвешенных и оседающих веществ в производственных сточных водах различна для разных производств и при расчетах может приниматься по данным анализов сточных вод аналогичных производств или по заданию технологов.

Часто бытовые и производственные сточные воды отводят и подвергают очистке совместно. Концентрацию взвешенных или оседающих веществ в смеси сточных вод определяют по формуле:

9

где Кб и Кпр – концентрация взвешенных или оседающих веществ соответственно в бытовых и производственных водах;

Qб и Qпр – расход соответственно бытовых и производственных сточных вод.

2. АЭРОБНЫЕ И АНАЭРОБНЫЕ ПРОЦЕССЫ

Находящаяся в сточных водах органическая часть загрязнений является благоприятной средой для развития бактерий вообще, а болезнетворных в частности. Поэтому задача очистки сточных вод заключается в удалении и обезвреживании содержащихся в них загрязнений и в особенности органических веществ, представляющих наибольшую опасность в санитарном отношении.

Сложные органические соединения сточных вод благодаря биохимическим процессам подвергаются распаду до СО2 и Н2О. Эти процессы называются минерализацией (стабилизацией) органических соединений.

Минерализация органических веществ происходит под воздействием микроорганизмов, которые используют эти вещества в процессе питания как пластический материал для построения тел микроорганизмов (плазма, оболочка) и энергетический для своих жизненных функций. Различают две группы микроорганизмов – аэробные и анаэробные. Первые нуждаются в кислороде воздуха, вторые, наоборот, не выносят его присутствия. При аэробных биохимических процессах происходит окисление органических веществ, содержащих углерод, азот, серу, фосфор, до минеральных солей (углекислых, азотнокислых, сернокислых и фосфорнокислых) и углекислоты [8].

В результате анаэробных (восстановительных) процессов образуются главным образом газы: метан (CH4), углекислота (СО2), сероводород (H2S), аммиак (NH4) и водород (Н2), а также промежуточные продукты распада многих органических веществ.

Аэробные процессы используются главным образом для очистки сточных вод, содержащих органические загрязнения преимущественно в коллоидном и растворенном состоянии (биохимическая

10