4 Фізико-хімічні основи технологічного процесу
Для очищення стічних вод використовують механічні, хімічні, фізико-хімічні та біологічні методи. При цьому використовують комплекс окремих споруд, в яких по ходу руху стічна вода послідовно очищається спочатку від крупних, а потім від все менших за розмірами забруднень [3].
На каналізаційних очисних спорудах міст нашої країни (зокрема у місті Селидове) широке застосування отримав метод біохімічного очищення стічних вод.
4.1 Суть методу біохімічного очищення
Суть біологічного очищення стічних вод полягає у застосуванні природних біоценозів гідробіонтів для звільнення забрудненої води від небажаних домішок. До складу біоценозів гідробіонтів входять мікроогранізми та інші представники тваринного й рослинного світу, які проживають в активному мулі, біоплівці та в очищуваній воді [1].
Мікрооганізми активного мулу використовують розчинені органічні речовини стічних вод для живлення в процесі життєдіяльності.
Приймаючи участь у конструктивному і енергетичному обміні живої клітини, органічні речовини стічних вод зазнають складні хімічні та біологічні перетворення. В результаті катаболічних процесів відбувається розкладання цих речовин з утворенням більш простих органічних низькомолекулярних з’єднань, частина з яких підлягають подальшому окисленню до води та діоксиду вуглецю з виділенням енергії або перетворюється в продукти метаболізму, а друга частина використовується для біосинтезу в процесах анаболізму.
Біологічне вилучення домішок з води за допомогою мікроорганізмів може відбуватися як за наявності кисню (аеробні окисні процеси), так і без нього (анаеробні окисні процеси).
Розглянемо аеробне біохімічне очищення. Аеробне очищення стічних вод може здійснюватися внаслідок насичення їх повітрям (або киснем) в аеротенках. При цьому мікроорганізми, що розвиваються, створюють легкоосідаючі пластівці активного мулу або біологічну плівку, яка утворюється під час фільтрування води завантаження зі щебеню в біофільтрах.
Сучасні біологічні способи можна використовувати для очищення води практично для всіх розчинених у ній органічних сполук у будь-яких концентраціях: від нітратів, сульфітів, хроматів, йонів важких металів та від небезпечних біологічних агентів – хвороботворних бактерій, вірусів та ін. Завдяки біологічному очищенню можна не тільки звільнитись від небажаних домішок, а й відновити якість води, що в іншому випадку є проблематичним [3].
Споруди біологічного очищення можна умовно розподілити на два види:
з очищенням в умовах, близьких до природних;
з очищенням в штучно створених умовах.
До першого виду належать поля фильтрації і зрошення (земельні дільниці, в яких очищення відбувається за рахунок фильтрації крізь шар грунту), а також біологічні пруди (неглубокі водойми, в яких відбувається очищення, засноване на самоочищенні водоймів).
Другий вид складають такі споруди, як біофільтри і аеротенки. Біофільтр – резервуар з фільтруючим матеріалом, поверхня якого вкрита біологічною плівкою (колонія мікроорганизмів, здатних сорбувати і окислювати органічні речовини із стічних вод). Аеротенк – резервуар, в якому очищувані стоки змішуються з активним мулом (біоценоз мікроорганізмів, здатних поглинати органіку зі стоків) [6].
Склад активного мулу та біоплівки
Активний мул є амфотерною колоїдною системою. Елементний хімічний склад активних мулів достатньо близький і для міських стічних вод має формулу – C54H212O82N8S7.
Суха речовина активного мулу містить 70-90 % органічних і 10-30 % неорганічних речовин. Крім живих організмів, в мулі міститься субстрат – різноманітні тверді залишки, до яких кріпляться мікроорганізми.
По зовнішньому вигляду активний мул являє собою грудочки та пластівці розміром 3-150 мкм і високою питомою поверхнею – близько 1200 м2 на 1 м3 мулу [6].
Спільнота живих організмів, що населяють активний мул або біоплівку, називають біоценозом. Біоценоз активного мулу представлений в основному 12 видами мікроорганізмів та найпростіших.
Біоценоз активних мулів складається з бактерій, найпростіших, плісневих грибів, дріжджів, актиноміцет, личинок комах, рачків, водоростей та ін. Основне руйнування органічних забруднень в стоках здійснюється бактеріями. В 1 м3 мулу міститься 2⋅1014 бактерій. В активному мулі вони містяться у вигляді скупчень, оточених слизовим шаром (зооглеї). Зовнішній вигляд бактерій, що містяться в активному мулі представлені на рисунку 4.1.
1 – зооглеї; 2 – нитчасті сіркобактерії; 3 – нитчасті хламідобактерії
Рисунок 4.1 – Представники бактерій активного мулу
Зооглеї (рис.4.1(1) являють собою особливу форму флокуляції бактерій і можуть бути різної форми – кулеподібної, деревоподібної і т.д. При значному накопиченні зооглеї в активному мулі можливе порушення седиментаційних властивостей мулу.
Нітчасті сіркобактерії (рис.4.1(2) зустрічаються в активному мулі, де на очищення надходять сірковмісні забруднюючі речовини. Їх основне завдання полягає в окисленні з’єднань сірки до елементарної сірки.
Особливу цікавість в активному мулі представляють нітчасті хламідобактерії (рис.4.1(3), що складаються з тонких ниток, оточених слизовим захисним чохлом. Масові розростання ниток цих бактерій призводить до вспухання активного мулу. В силу того, що ці бактерії мають активний обмін речовин й високу окислювальну здатність, вспухлий мул значно ефективніше працює, ніж звичайний. Але при розвитку нітчастих бактерій всі інші організми витиснюються з аеротенку. Тому дуже важливо дотримуватись правил технологічного режиму [].
В активному мулі зустрічаються представники трьох класів найпростіших: саркодові (Sarcodina), джгутикові (Mastigophora), та інфузорії з двома підкласами (Infusoria) - війчасті (Ciliata) та сисні (Suctoria), які поглинають велику кількість бактерій, підтримуючи їх оптимальну кількість. Одна інфузорія (рис.4.2) в середньому поглинає від 20 до 40 тисяч бактерій. Вони сприяють осаджуванню мулу та освітленню стічних вод у вторинних відстійниках.
Рисунок 4.2 – Інфузорії (війчасті)
З інших попутних організмів важливе значення мають коловертки (рис.3.3) (Rotatoria), що живляться бактеріями та найпростішими [3].
Рисунок 4.3 – Коловертки
Склад біоценозу мулу залежить від наявності і концентрації в стічній воді різноманітних органічних речовин. Тільки основна група бактерій (80-90 %) бере участь у процесі очищення стічних вод, решту мулу становить супутні групи мікробів. При високому вмісті органіки в стічній воді переважають гетеротрофні бактерії, при зниженні поживних речовин збільшується кількість хижих найпростіших.
Якість мулу визначається швидкістю його осадження та ступенем очищення рідини. Стан активного мулу характеризує муловий індекс, який залежить від здатності мулу до осадження. Великі пластівці осідають швидше, ніж дрібні.
Закономірності розпаду органічних речовин
Процес руйнування складних органічних сполук відбувається в певній послідовності і в присутності каталізаторів цих реакцій - ферментів, які виділяються клітинами бактерій. Ферменти - складні білкові сполуки (молекулярна маса досягає сотень тисяч і мільйонів), що прискорюють біохімічні реакції . Ферменти бувають одно- і двокомпонентні. Двокомпонентні ферменти складаються з білкової (апофермент) і небілкової (кофермент) частини. Каталітичну активність має кофермент, а білковий носій збільшує його активність. Розрізняють ферменти, що виробляються бактеріями для позаклітинного розщеплення речовин - екзоферменти, і внутрішні травні ферменти - ендоферменти .
Особливість ферментів полягає в тому, що кожен з них каталізує тільки одне з багатьох перетворень. Існують шість основних ферментних класів: оксіредуктази, трансферази, гидралази, ліази, ізомерази і лігази. Для руйнувань складної суміші органічних речовин необхідно 80-100 різних ферментів, кожен з них має свою оптимальну температуру, вище якої швидкість реакції падає.
Процес біологічного окислення складається з безлічі ступенів і починається з розщеплення органічної речовини з виділенням активного водню. У цьому процесі особливу роль відіграють ферменти класу оксіредуктази: дегідрогенази (віднімають водень від субстрату), каталази (розщеплюють перекис водню) і пероксидази (що використовують активовану перекис для окислення інших органічних сполук).
Існують речовини, які підвищують активність ферментів - активатори (вітаміни, катіони Ca2+, Mg2+, Mn2+), та інгібітори, які надають протилежну дію (наприклад, солі важких металів, антибіотики).
Сумарні реакції біохімічного окислення в аеробних умовах можна схематично представити в наступному вигляді:
CxHyOzN + O2 → CO2 + H2O + NH3 + ∆H; (4.1)
CxHyOzN + NH3 + O2 → C5H7NO2 + CO2 + H2O + ∆H; (4.2)
C5H7NO2 + O2 → CO2 + H2O + NH3 + ∆H; (4.3)
NH3 + O2 → HNO2 + O2 →HNO3; (4.4)
де CxHyOzN – усі органічні речовини стічних вод;
C5H7NO2 – умовна формула клітинної речовини бактерій;
∆H – енергія.
Реакція (4.1) показує характер окислення речовини для задоволення неенергетичних потреб клітини (катаболічний процес), реакція (4.2) - для синтезу клітинної речовини (анаболічний процес). Витрати кисню на ці реакції складають БПКповн. стічної води. Реакції (4.3) і (4.4) характеризують перетворення клітинної речовини в умовах нестачі поживних речовин. Загальна витрата кисню на всі чотири реакції приблизно вдвічі більше, ніж на (4.1) і (4.2).
Велика кількість біохімічних реакцій відбувається за допомогою коферменту А. Кофермент А є похідним b-меркаптоетіламіда пантотенової кислоти і нуклеотиду - аденозин-3,5-дифосфату (C21H36O167P3S) з молекулярною масою 767,56. КоА активує карбонові кислоти, утворюючи з ними ацилпохідні КоА.
Легко окислюються бензойна кислота, етиловий та аміловий спирти, гліколі, гліцерин, анілін, складні ефіри та ін. Погано окислюються нітросполуки, «жорсткі» ПАР, трьохатомні спирти та ін Наявність функціональних груп збільшує здатність до біологічного руйнування сполук в такій послідовності:
—CH3; —OOCCH3; —CHO; —CH2OH; —CHOH; —COOH; —CN; —NH2; —OHCOOH; — SO3H [6].
4.4 Вплив різних факторів на ефективність процесу біохімічного очищення
Ефективність перебігу процесів біологічного очищення залежить від багатьох факторів: хімічного складу очищуваної води, наявності в ній біогенних елементів, вмісту кисню, токсичних речовин, значення pH середовища, температури тощо [1].
Для нормального розвитку гідробіонтів, що здійснюють очищення води, в середовищі має бути достатня концентрація поживних речовин – органічного вуглецю, азоту і фосфору. Крім основних елементів клітини (C, N, O, H) для її будови у невеликій кількості потрібні інші елементи, такі як марганець, мідь, цинк, молібден, селен, магній, кобальт, кальцій, натрій, калій та ін. Останніх у воді достатньо, щоб повністю задовольнити вимоги бактеріального метаболізму.
Здебільшого не вистачає нітрогену і фосфору, тому їх додають у воду у вигляді солей фосфатної та азотної кислот.
Достатня кількість елементів живлення для бактерій в очищуваній воді визначається співвідношенням БСК : N : P. Під час очищення міських вод воно має бути не менше 100 : 5 : 1. В комунально-побутових стічних вод це співвідношення становить приблизно 100 : 20 : 2,5.
Тобто вміст нітрогену і фосфору в них значно вищий, тому такі води розбавляють промисловими стічними водами, якщо останні не містять цих елементів [3].
В аеробних очисних спорудах вміст розчиненого кисню в очищуваній воді має бути не менш ніж 2 мг/дм3. Цього досягають додаванням повітря або повітря, насиченого киснем, чи додаванням чистого кисню. Система аерації також забезпечує перемішування води та постійне підтримування мулу у завислому стані.
Активна реакція середовища в процесі біологічного очищення повинна мати значення pH=5-9. Оптимальним вважається середовище з pH=6,5-7,5. За цих умов найкраще розвиваються мікроорганізми та досягається найбільший ефект очищення. Відхилення pH за межі оптимальних умов призводить до зменшення швидкості окислення внаслідок уповільнення обмінних процесів в клітці, порушення проникності її цитоплазматичної мембрани та ін., що призводить до погіршення біохімічного очищення. При pH нижче 5 і вище 10 відбувається загибель мікроорганізмів.
Оптимальною температурою для аеробних процесів в очисних спорудах є 20-30 0С. За цієї температури біоценоз має найбільше різноманіття, а мікроорганізми – оптимальні умови розвитку. Однак оптимальний температурний режим для різних бактерій може змінюватись в широких межах: для психрофілів – 10-15 0С, мезофілів – 25-37 0С, термофілів – 50-60 0С. Якщо температурний режим виходить за межі оптимального, то швидкість обмінних процесів у клітинах помітно зменшується. Підвищення температури води збільшує швидкість протікання процесу очищення в 2-3 рази (але тільки в межах 20-30 0С). Але прицьому необхідно проводити більш інтенсивну аерацію, тому що розчинність кисню з підвищенням температури падає [7].
За наявності у стічних водах важких металів знижується біохімічна активність мулу і відбувається його спухання через інтенсивний розвиток нитчастих форм бактерій. За ступенем токсичності важкі метали можна розташувати у наступному порядку:
Sb > Ag > Cu > Hg > Co > Ni > Pb >Cr3+ > V > Cd > Zn > Fe
Отже, після розглянення основ методу біологічного очищення стічних вод, можна зробити наступні висновки. Широке використання методів біологічного очищення зумовлене їх перевагами:
можливістю видаляти зі стічних вод різноманітні органічні сполуки, в тому числі токсичні;
простотою апаратурного оформлення;
відносно невеликими експлуатаційними витратами; висока ступінь видалення шкідливих речовин.
До недоліків методу слід віднести:
високі капітальні витрати;
необхідність суворого дотримання технологічного режиму очищення;
токсичну дію на мікроорганізми ряду органічних та неорганічних сполук;
необхідність розбавляти стічні води у випадках високих концентрацій домішок [6].