Декарбоксилирование Восстановительное

уксусной кислоты (4) образование метана (4)

СН₄+СО₂ СН₄+СО₂

Полное анаэробное расщепление органического вещества происходит под влиянием трех основных групп бактерий: (1)-гидролизующих; (2)-облигатных ацетогенных; (3)-ацетогенных; (4)-метаногенных. Первая стадия – гидролиз сложных соединений, биополимеров и конверсия продуктов в летучие жирные кислоты, спирты, альдегиды, диоксид углерода, аммиак, водород. Эти процессы осуществляются самыми разнообразными микроорганизмами, относящимися к аэробам, факультативным анаэробам, облигатным анаэробам.

На второй стадии – образования уксусной кислоты, водорода и диоксида углерода – биологическими агентами являются облигатные ацетогенные бактерии. Эти микроорганизмы расщепляют пропионовую и другие жирные кислоты, некоторые соединения, образующиеся после первой стадии анаэробной ферментации. Продуктами расщепления являются уксусная кислота, водород, диоксид углерода.

Третья стадия – метаногенная. Метаногенные бактерии – единственные организмы, способные трансформировать кислоты и водород в газообразный метан без внешних источников энергии или акцепторов электронов.

Выводы.

В случаях, когда нужно обеспечить низкое содержание тяжелых металлов в осадке, как после аэробной, так и после анаэробной очистки фильтрата, применяют соответствующую физико-химическую обработку (рис.1).

Рис.1. Технологическая схема очистки фильтрата биохимическим методом: 1 – обработка с помощью высокоактивного ила; 2 – вращающийся биологический контактор площадью диска 5500 м²/га; 3 – постобработка (осаждение, флокуляция, адсорбция); 4 – бассейн – хранилище объемом 150 м³/га; 5 – возвращаемый ил; 6 – отстойник с трубами; 7 – сброс очищенной воды.[14]

1.3.2. Физико-химические методы очистки фильтрационных вод и перспективы их применения

К физико-химическим методам очистки относят коагуляцию, адсорбцию, ионный обмен, обратный осмос и др. Эти методы используют для удаления из сточных вод тонкодисперсных взвешенных частиц, растворимых газов, минеральных и органических веществ. В настоящее время в технике защиты окружающей среды начинают широко использоваться биосорбционные и ионообменные методы.

Использование физико-химических методов для очистки фильтрационных вод по сравнению с биохимическими имеет ряд преимуществ: возможность удаления из фильтрационных вод токсичных, биохимически не окисляемых органических загрязнений; достижение более глубокой и стабильной степени очистки; меньшие размеры сооружений; возможность рекуперации различных веществ.[14]

Коагуляция. Для осаждения загрязняющих веществ при физико-химической обработке фильтрата коагуляцией обычно используют известь или глинозем. При этом достигается некоторое осветление, происходит образование взвешенных твердых частиц и удаление тяжелых катионов. В то же время выделяется большое количество осадка, а ХПК снижается не более чем на 40%.

Химическое окисление с помощью Сl₂, Са(СlО)₂, КМnО₄ или О₃ дает лучшие результаты осветления и снижает ХПК (до 48%). Вместе с тем использование галогенов приводит к образованию опасных галогенированных соединений.

Адсорбция загрязняющих веществ с применением активированного угля в виде стержней или порошков позволяет достичь большего снижения концентраций органических веществ по сравнению с другими химико-физическими методами. Основной недостаток метода – необходимость частой регенерации угольных стержней, а значит и большой расход угольного порошка. Сейчас метод адсорбции с применением активированного угля используется в качестве последней, как правило, третьей, ступени очистки фильтратов. Конечное снижение ХПК при этом может составить 85%.

Малайзийским университетом было проведено экспериментальное исследование возможности очистки фильтрата в группе фильтрационных блоков, где в качестве среды, поглощающей загрязнители из фильтрата, используется древесный уголь.

Трехступенчатая фильтрационная установка для очистки фильтрата была смонтирована на полигоне отходов «Ампанг Джояр». Фильтрационные установки заполнялись древесным углем разного гранулометрического состава. Способность этого материала удалять загрязняющие вещества держалась под контролем. Положительные результаты были получены в зависимости от снижения БПК и ХПК фильтрата. Пропусканием фильтрата через слой известняка из конечных стоков эффективно удаляется избыточный кадмий.

К моменту исследования возраст массива отходов составлял 1 год. Фильтрат, образующийся в массе отходов, размещенных в течение длительного этапа, отводился в ближайший пруд, и данное исследование проводилось на пробах именно этого фильтрата.

Цель исследования состояла, во-первых, в изучении эффективности древесного угля для очистки фильтрата, во-вторых, в оптимизации эффективности очистных сооружений при удалении загрязняющих веществ и, в-третьих, в оценке способности известняка удалять тяжелые металлы из фильтрата. Древесный уголь и известняк выбраны в качестве фильтрующей среды благодаря обилию и долговечности этих материалов.

Для поведения исследования были построены 3 фильтрационных блока, состоящих из пластмассовых бочек диаметром 0,6 м, высотой 0,8 м, установленных на деревянной платформе, но на разной высоте. Фильтрующая среда для каждой фильтрационной установки указана в таблице 6. После заполнения первой бочки фильтрующим материалом до отметки 0,66 м, в неё вводили фильтрат до насыщения фильтрующей среды. Фильтрат оставляли в бочке в течение следующих периодов: 3, 4 и 7 суток. Затем фильтрат из бочки 1 сливали в бочку 2 и позднее в бочку 3. На выходе из каждой бочки брали пробы сточного фильтрата для аналитического определения рН, БПК, ХПК и ионов хлора (Cl ^-). Содержание тяжелых металлов, таких как железо (Fe), никель (Ni), кадмий (Cd) и цинк (Zn), определялось в пробах фильтрата до очистки и стоках после очистки. Затем очищенный фильтрат пропускали через слой известняка, меняя крупность зерен и время удерживания для изучения возможности удаления тяжелых металлов из фильтрата. (Рис.3.)

Таблица 3.

Древесный уголь и другие материалы, используемые в установках в качестве фильтрующей среды.

№ емкости	Крупность кусков фильтрующего материала (древесного угля)
1 2 3	3-5 см 1-3 см порошкообразный материал
Во всех трех бочках применяются и другие материалы: а) слой (1,5 см) коксового волокна (отходы производства) поверх слоя древесного угля; б) слой гравия толщиной 7 см на дне каждой бочки.

Рис.3. Лабораторная установка для удаления тяжелых металлов из очищенного фильтрата: 1- известняк, крупность зерен 12 мм; 2 - известняк, крупность зерен 8,2 мм; 3, 4 - очищенный фильтрат.

Исследования показали, что применение описанных фильтрационных блоков привело к эффективному снижению таких параметров, как ХПК (98%) и БПК (93%). При этом снижение содержания Cl^-, Fe, Ni, Cd и Zn было минимальным. Результаты также свидетельствуют о том, что значения ХПК и БПК очищенного фильтрата не удовлетворяют качеству стоков, достаточному для сброса его в водоем.

Каждый фильтрационный блок способен снижать ХПК и БПК при оптимальном времени удерживания в течение 4-7 суток соответственно. Полученные результаты позволяют предположить, что фильтрующая среда является биологически активной при отмечаемом бактериальном росте, который способствовал распаду загрязняющих веществ в составе фильтрата, поэтому время контактирования между фильтратом и фильтрующей средой должно быть достаточным для усиления биологических реакций.

Что касается тяжелых металлов в фильтрате после очистки, а именно: Fe, Ni, Cd и Zn, то их концентрация оказалась в пределах норм.

Эффективность удаления Cd порядка 98,30% достигается при времени удерживания 60 минут и крупности частиц известняка – 8,18 мм. При крупности частиц 12 мм эффективность удаления Cd составила 77,5% при времени удерживания 60 минут. Данное явление, как полагают, объясняется тем, что при уменьшении крупности частиц известняка увеличивается площадь поверхности для эффективной адсорбции тяжелых металлов.

Таблица 4.

Качество фильтрата после прохождения через трехступенчатую фильтровальную установку.

Наименование параметра	Средние значения для очищенного фильтрата* (мг/л)	% извлечения	Норматив, заявлен- ный в Стандарте В#. (мг/л)
ХПК	120	98	100
БПК	158	93	50
Хлорид	3400	0,02	Не указан
Железо	0,62	82	5,0
Никель	0,23	38	1,0
Кадмий	0,02	0	0,02
Цинк	0,11	83	1,0

* Кумулятивное (суммарное) время удерживания 12 суток.

^# Источник: Малазийское Министерство экологии (1994 г.).

Трехступенчатые фильтрационные установки, в которых в качестве фильтрующего материала использован древесный уголь для очистки фильтрата, обеспечивали эффективное снижение ХПК и БПК на 98% и 93% соответственно (см. табл. 4). Что касается удаления тяжелых металлов, а именно, кадмия, оказалось, что известняк, как фильтрующий материал, является эффективным для извлечения кадмия из фильтрата, а очищенный фильтрат (с учетом снижения содержания тяжелых металлов) соответствует качеству стоков, записанному в Стандарте В [18]

Еще один способ, который применяется, как правило, на конечной ступени очистки фильтрата, - обратный осмос. Этот способ обеспечивает высокоэффективное удаление органических соединений и других загрязняющих веществ в результате пропуска фильтрата через мембраны. Наиболее важными параметрами процесса являются тип мембраны, показатель рН и давление.

Для предотвращения засорения мембран коллоидными веществами фильтрат предварительно обрабатывают известью (до величины рН=12), затем серной кислотой (до рН=3-6) и осаждают, добавляя СаSО₄. Такая предварительная обработка уменьшает мутность фильтрата почти на 90% и сама по себе бывает достаточной для удаления некоторых металлов.[16]

Фильтрационные воды, образующиеся при ликвидации токсичных и опасных отходов, могут быть переработаны с использованием сочетания физико-химических и биологических методов, однако эти методы дороги.