Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Технологии очистки сточных вод. Учебное пособие.pdf
4. ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
С ПОМОЩЬЮ МИКРОВОДОРОСЛЕЙ
Одним из перспективных способов очистки сточных
вод с различной концентрацией загрязняющих веществ
является применение микроводорослей. Экологически это
оправдано тем, что для своей жизнедеятельности водоросли потребляют углекислый газ и выделяют кислород.
Эволюционно водоросли находятся на более высокой ступени развития по сравнению с бактериями, и поэтому
многие виды являются универсальными потребителями
многих органических и минеральных веществ. При этом
достигается понижение концентрации загрязняющих элементов более чем на 90%, а обеззараживание – примерно
100%.
Обработка сточных вод с получением биомассы микроводорослей создаёт возможность одновременного производства энергии и удаления биогенов (азот и фосфор).
Существуют предварительные оценки, свидетельствующие о высокой энергоэффективности одновременного
удаления биогенов из сточных вод и культивирования
микроводорослей. Кроме этого, помимо удаления биогенов, возможно удаление некоторых тяжёлых металлов и
следов других элементов.
Ограничением, сдерживающим полномасштабное
применение культивирования микроводорослей для удаления биогенов и производства энергии, является энергоёмкий процесс сбора микроводорослей. Обычно требуется
один или несколько этапов разделения фаз для концентрирования биомассы. Перспективной здесь считается мембранная технология. Сообщается об использовании поло-
51
волоконной полихлорвиниловой мембраны для 150-кратного концентрирования суспензии микроводорослей при
постоянном давлении 34,5 кПа. В данном случае обратная
промывка проводилась каждые 15 мин.
Наряду с совершенствованием процесса отделения
биомассы, внимание уделяют иммобилизационному культивированию микроводорослей с получением биомассы
с меньшим содержанием воды. В этом случаем перспективным в качестве матрицы считается альгинат.
Не все микроводоросли успешно культивируются на
матрице. Показано успешное культивирование иммобилизованных микроводорослей Chlorella sorokiniana на альгинате кальция. Достигнуто большее удаление фосфатов и
аммония в сравнении с суспендированными микроводорослями. Также микроводоросли Gloeocapsa gelatinosa на
альгинате кальция эффективно удаляли нитраты и фосфаты. В настоящее время, однако, крупномасштабное
использование полимерных матриц ограничивается их высокой стоимостью. Различные биоплёночные системы,
включая биоплёночный фотобиореактор, вращающийся
биоплёночный реактор с барабаном для сбора водорослей,
рекомендуются в качестве эффективных систем для получения биомассы высокой плотности.
Перспективными является анаэробное сбраживание и
совместное сбраживание с активным илом. Показана осуществимость анаэробного сбраживания Micracinium nov. и
Chlorella sp., выращенных на смеси центрата обезвоживания
избыточного активного ила и сточных вод после первичной
обработки. В обоих случаях повышены эффективность удаления летучих твёрдых веществ избыточного активного ила
и выход биогаза. Сходные результаты получены при совме-
52
стном сбраживании Spirulina platensis и Chlorella sp., выращенных на смеси центрата обезвоживания избыточного
активного ила и сточных вод после нитрификации.
4.1. Основные отличия технологий очистки стоков
Традиционная очистка Биоочистка водорослями
Кислотность –
высокие уровни
растворённого
углекислого газа
Осадок
Энергетические
требования
Условия очистки
Структура и пространство, необходимые для очистки
Нейтрализация
с применением
каустической соды
Испарение осадка
сточных вод (отстой).
Необходимо для
захоронения в земле.
Около 290 т производимого осадка
ежегодно
Необходима подача
кислорода соответствующих концентраций; на каждом этапе
процесса происходит
потеря энергии, что
увеличивает издержки
Скорость формирования активного ила
зависит от множества
факторов, в том числе:
температуры; химического состава стоков;
доступа кислорода;
объёма и формы
тяжёлых фракций;
скорости окисления
2
11 000 м
кладочный
резервуар для испарения стоков
Водоросли нормализуют кислотность и
нейтрализуют стоки
Регенерация водорослей, являющихся
богатыми питательными веществами
удобрением. Нет
остаточного шлама
Уменьшение объёмов
потребляемой энергии;
кислород является непосредственным продуктом фотосинтеза
Подходит для экстремальных условий
роста (pH, соль и т.д.)
2
3000 м
резервуар для
содержащихся и испаряющихся сточных вод
53
4.1. БИОХИМИЧЕСКИЕ РЕАКЦИИ.
ВИДЫ МИКРОВОДОРОСЛЕЙ, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ
ДЛЯ ОЧИСТКИ СТОКОВ
Водоросли, используемые для очистки стоков.
В процессе очистки сточных вод происходит поглощение питательных веществ клетками микроводоросли,
в результате которого происходит увеличение биомассы.
Данный процесс описывается уравнением
NH4 + 7,6CO2 + 17,7H2O ↔
C
7,6H8,1O2,5
N + 7,6O2 + 15,2H2O + H2 – 886 ккал/г⋅моль.
Схема процессов, происходящих внутри микроводоросли, изображена на рис. 4.1.
При создании стрессовых условий культивирования
в биомассе Chlorella накапливаются нейтральные липиды
в виде липидных капель в цитоплазме.
54
Рис. 4.1. Схема процессов,
происходящих внутри микроводоросли
Промышленные сточные воды чрезвычайно разнообразны по составу, и поэтому для очистки используются
различные виды водорослей:
– Chlorella – удаление азота и фосфора (Lee and Lee,
2001; Gonzales et al., 1997);
– Phormidium bohneri – удаление азота и фосфора;
– Спирулина (Arthrospira) – удаление азота и фосфора
(Olgun et al., 2003);
– Spirogyra – биосорбция хрома;
– Scenedesmus acutus – удаление кадмия (Martinez
et al., 1999, 2000).
4.2. ИЗВЕСТНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД МИКРОВОДОРОСЛЯМИ
Со сточными водами на станцию очистки поступает
большое количество различных видов отбросов: предметы
быта горожан, отбросы пищевых производств, пластиковая
тара и полиэтиленовые пакеты, а также строительный и
прочий мусор. Для удаления крупных загрязнений на станциях очистки используются механизированные решётки.
Решётка – сооружение для механической очистки сточных
вод, служит для задержания крупных загрязнений органического и минерального происхождения. Решётки подготавливают сточную жидкость к дальнейшей очистке. Отбросы
с решёток либо дробят и направляют для совместной переработки с осадками очистных сооружений, либо вывозят в места обработки твёрдых бытовых и промышленных отходов.
Второй ступенью механической очистки сточных вод
являются песколовки – сооружения, служащие для удаления
минеральных примесей, содержащихся в поступающей воде.
Песколовка служит главным образом для удаления песка и
сопутствующих ему компонентов. Но в то же время она спо-
55
собна захватывать и более крупные компоненты: мелкие
камни, различные твёрдые примеси, гальку. В отстойниках
может происходить смешивание различных твёрдых компонентов и органических соединений, что, в свою очередь,
может повлечь за собой проблемы с удалением осадка.
Своей работой песколовка значительно облегчает очистку
отстойников, удаляя 80…90% твёрдых примесей [5].
Пройдя первые две ступени механической очистки,
сточные воды поступают в первичные отстойники, предназначенные для осаждения из сточной воды нерастворённых примесей. Первичный отстойник – сооружение блока
механической очистки, предназначенное для гравитационного отстаивания мелкодисперсных загрязнений, в основном органических, и, как следствие, снижение БПК и ХПК.
Конструктивно все первичные отстойники на станциях
очистки открытого типа и имеют радиальную форму при
различных диаметрах – 33, 40 и 54 м.
Осветлённая сточная вода после первичных отстойников подвергается полной биологической очистке в аэротенках. Аэротенки – открытые железобетонные сооружения прямоугольной формы, четырёхкоридорного типа.
Сточная вода, поступающая в аэротенк, смешивается
с активным илом. В данных аэротенках происходит полная
биологическая очистка от биогенных элементов, таких как
фосфор (представлены в виде фосфатов) и азот (в основном представлены в виде мочевины).
Аэротенк разделён на 4 коридора, в каждом из которых происходит присущий ему процесс:
1 коридор – анаэробная зона (без принудительной подачи кислорода), в которой происходит высвобождение
фосфора; в коридоре создаются благоприятные условия
для поддержания жизнедеятельности фосфатакумулирующих организмов (ФАО).
56
ФАО – группа бактерий, которые при анаэробных условиях способны потреблять из сточных вод и запасать
внутри клетки полифосфаты. Обычные бактерии активного
ила содержат 1,0…3,0% фосфора. ФАО могут запасать до
10% фосфора по сухому веществу. Необходимое условие
реализации процесса биологического удаления фосфора –
наличие анаэробной и аэробной зон. ФАО в анаэробных
условиях потребляют ацетат и пропионат и накапливают
их внутриклеточно в виде полимерных насыщенных оксикислот (ПНО). Процесс накопления обеспечивается энергией, образующейся в результате разложения полифосфата
в ортофосфат. В аэробных условиях эти микроорганизмы
растут, потребляя фосфат и накапливая его в виде полифосфатов. Основным источником энергии, необходимой
для этого процесса, является окисление ПНО, однако эти
микроорганизмы также способны окислять и другие органические субстраты, доступные в анаэробных условиях.
Общее изменение концентрации фосфатов во времени
представлено на рис. 4.2.
Таким образом, для реализации процесса биологического удаления фосфора, первым условием необходимо сочетание анаэробных и аэробных зон в очистных сооружениях.
Дальнейшее исследование этого процесса позволило
определить, что хотя основная роль в реализации процесса
«жадного поглощения фосфора» принадлежит бактериям
Acinetobacter, способностью аккумулировать фосфор обла-
дают и другие гетеротрофные микроорганизмы, которые
обобщённо называются фосфатаккумулирующие организмы (ФАО). В зоне нитрификации (1-я аэробная зона, 3 коридор) происходит доокисление органических соединений,
окисление аммонийного азота и потребление фосфора.
57
Рис. 4.2. Общее изменение концентрации фосфатов
в процессе очистки
2 коридор – аноксидная зона (зона перемешивания),
в которой происходит процесс денитрификации; в ходе
процесса денитрификации нитраты (NO3) и(или) нитриты
(NO2) восстанавливаются до газообразных соединений
азота в ходе жизнедеятельности бактерий родов
Pseudomonas, Alcaligenes, Bacillus, Paracoccus и др., которые являются факультативными анаэробами и, в отсутствие растворённого кислорода, используют нитраты и нитриты в качестве конечных акцепторов электронов
−
NO →
NO → NO → N
3
−
2
O → N2.
2
Реакции катализируется ферментами микроорганизмов
активного ила, такими как нитратредуктаза, NO-образующая нитритредуктаза, редуктаза окиси азота и редуктаза
закиси (гемиоксида) азота соответственно.
3 коридор – аэробная зона (принудительная аэрация +
перемешивание, в которой происходит процесс нитрификации; нитрификация – это микробиологический процесс окисления азота аммонийных солей, в результате чего образуются
сначала соли азотистой кислоты, или нитриты, а при даль-
58
нейшем окислении – соли азотной кислоты, или нитраты.
В ходе процесса нитрификации аммоний (NH3 или, в зависи-
мости от рН,
+
NH ) аммоний-окисляющими бактериями
4
(AOB – ammonia-oxidizing bacteria) окисляется до нитритов
(NO
), а затем нитрит- окисляющие бактерии (NOB – nitrite
2
oxidizing bacteria) окисляют нитриты до нитратов (NO
).
3
В общем виде процесс нитрификации выглядит следующим образом:
NH3 + O2 + НАДН2 → NH2OH + H2O + НАД+;
NH2OH + H2O →
−
NO + H
2
O →
2
NO + 2H+ + 2e−.
−
NO + 4H
2
−
3
+
+ 4e−;
4 коридор – аэробная зона (принудительная аэрация),
в которой происходит процесс нитрификации.
3 и 4 коридоры соединены между собой бесконечным
кольцевым коридором «карусельного» типа, что позволяет
обеспечивать условия, необходимые для процесса нитриденитрификации.
Схема работы аэротенка представлена на рис. 4.2.
Рис. 4.3. Схема работы четырёхкоридорного аэротенка
59
Иловая смесь из аэротенков поступает во вторичные
отстойники, где происходит процесс разделения активного
ила от очищенной воды. Вторичные отстойники конструктивно подобны первичным отстойникам.
Изменение содержания загрязняющих веществ представлено на рис. 4.4 – 4.6.
+
PO
4
мг/л
,
Анаэробный
1 коридор
24
20
18
0,5
1
Время, ч
Рис. 4.4. Изменение концентрации фосфатов
в анаэробной зоне
NO
3
NO
2
мг/л
9
-
,
-
Аноксидный
2 коридор
4,5
0,4
0,75 1,5
Время, ч
Рис. 4.5. Изменение концентрации нитратов и нитритов
в аноксидной зоне
60