Карабинцева Фармацевтическая технология методички / Экологическая биотехнология

ция. Если по условиям сброса сточных вод в водоем требуется более высокая степень очистки, то после сооружений полной биологической очистки сточных вод устраивают сооружения глубокой очистки.

Сооружения механической очистки сточных вод (решетки, сита, песколовки, отстойники и фильтры различных конструкций) предназначены для задержания нерастворимых примесей и являются предварительной стадией перед биологической очисткой. Решетки и сита необходимы для задержания крупных загрязнителей органического и минерального происхождения. Песколовки служат для осаждения примесей минерального состава (преимущественно песка). Отстойники задерживают оседающие и плавающие загрязнения сточных вод. Для очистки производственных сточных вод, содержащих специфические загрязнения, применяют жироловки, нефтеловушки, масло- и смолоуловители и др. При механической очистке городских сточных вод удается задержать до 60 % нерастворенных загрязнений.

51

Рис. 11. Схема очистки сточных вод

Физико-химические методы очистки применяют для очистки производственных сточных вод, а для городских сточных вод, с учетом технико-экономических показателей, используют весьма редко. К методам физико-химической очистки производственных сточных вод относятся: реагентная очистка, сорбция, экстракция, эвапорация, дегазация, ионный обмен, озонирование, электрофлотация, хлорирование, электродиализ и др.

Биологические методы очистки сточных вод основаны на способности микроорганизмов минерализовать растворенные органические соединения, являющиеся для них источниками питания. Сооружения биологической очистки условно могут быть разделены на два вида: экстенсивные и интенсивные. К экстенсивным относятся сооружения, в которых процесс очистки протекает в условиях, близких к естественным (поля фильтрации или орошения и биологические пруды). В сооружениях интенсивного типа аналогичная очистка осуществляется в искусственно созданных промышленных аппаратах — аэротенках и биофильтрах. В основе интенсивных способов лежит

52

деятельность активного ила или биопленки, т. е. естественно возникшего биоценоза, формирующегося на каждом конкретном производстве в зависимости от состава сточных вод и выбранного режима очистки. Экологические различия между биоценозами и процессами в наиболее распространенных очистных сооружениях и в природных средах представлены в табл. 4.

Таблица 4

Различия экосистем очистных сооружений и природных сред

53

Окончание таблицы 4

Для глубокой очистки сточных вод от взвешенных веществ используются фильтры различных конструкций, для фильтрации растворенных органических веществ применяют сорбционные, биосорбционные, озонаторные и другие установки. Глубокая очистка сточных вод от соединений азота и фосфора может осуществляться физико-химическими и биологическими методами.

Заключительным этапом обработки сточных вод перед сбросом в водоем является дезинфекция (уничтожение патогенных микроорганизмов,содержащихсявсточнойводе)путемвведениявводугазообразного хлора, при использовании бактерицидных ультрафиолетовых ламп, озона. Обработка осадков сточных вод, образующихся в процессах очистки, заключается в снижении их влажности и уменьшении объема, в процесce обработки осадки обеззараживаются.

Очистные сооружения представляют собой специфические техногенные экологические системы, которые можно классифицировать по характеру используемых биоценозов на системы с активным илом и с биопленкой (рис. 12).

В зависимости от протекающих процессов различают системы аэробной и анаэробной биологической очистки.

Аэробная переработка стоков — это самая обширная область контролируемого использования микроорганизмов в биотехнологии. Она включает следующие стадии:

1)адсорбция субстрата на клеточной поверхности;

2)расщепление адсорбированного субстрата внеклеточными ферментами;

3)поглощение растворенных веществ клетками;

54

4)рост и эндогенное дыхание;

5)высвобождение экскретируемых продуктов;

6)«выедание» первичной популяции организмов вторичными потребителями.

В идеале аэробная переработка стоков должна приводить к полной минерализации отходов до простых солей, газов и воды. Эффективность переработки пропорциональна количеству биомассы и времени контактирования ее с отходами. Принцип действия аэробных систем биоочистки базируется на методах проточного культивирования.

Биопленка

Микроорганизмы активного ила

Рис. 12. Схема очистных систем:

а — с активным илом (аэротенки); б — с биопленкой (биофильтры); в — с активным илом и биопленкой (биотенки)

Органические вещества, попадающие в аэробный биореактор, могут:

•окисляться до CO2 и различных питательных веществ (в виде N-, P-, S-содержащих соединений);

•ассимилироваться в биомассе (иле);

•проходить сквозь реактор, не претерпевая изменений (биологически не разлагаемые в данных условиях, т. е. инертные вещества);

•превращаться в другие органические вещества.

Основными сооружениями аэробной биологической очистки с активным илом являются аэротенки. Аэротенк представляет собой

55

продуваемый воздухом железобетонный резервуар, связанный с отстойником, по которому протекает сточная вода, смешанная с активным илом, чаще всего имеет прямоугольное сечение. Ширина коридора аэротенка может составлять 4,5–9 м (а иногда и более) при глубине его до 6 м. Длина аэротенков может достигать нескольких десятков метров в зависимости от пропускной способности очистных сооружений.

По гидравлической схеме работы аэротенки делятся на следующие типы (рис. 13):

•аэротенки-вытеснители — сооружения с сосредоточенным впуском воды и активного ила в них и со снижающейся нагрузкой на активный ил вдоль сооружения. Такой вид аэротенка позволяет обеспечить высокое качество очистки, однако чувствителен к резким колебаниям расхода и состава стоков;

•аэротенки-смесители с подводом воды и активного ила равномерно вдоль одной из длинных сторон аэротенка. По всему объему аэротенка наблюдается одинаковая нагрузка на активный ил. Достоинство такого аэротенка — сглаживание залповых нагрузок на активный ил;

•аэротенкисрассредоточеннымвдольсооружениявпускомсточ-

ной воды занимают промежуточное положение между двумя предыдущими видами. Нагрузка на активный ил меняется циклически по длине сооружения.

В аэротенках микробиальная масса пребывает во взвешенном в жидкости состоянии в виде отдельных хлопьев, представляющих собой зооглейные скопления микроорганизмов, простейших и более высокоорганизованных представителей фауны (коловратки, черви, личинки насекомых). Биоценоз организмов, развивающихся в аэробных условиях на органических загрязнителях, содержащихся в сточной воде, получил название активного ила. Размер хлопьев зависит как от вида бактерий, наличия и характера загрязнений, так

иот внешних факторов — температуры среды, гидродинамических условий в аэрационном сооружении и пр. Рабочие концентрации активного ила в аэротенках составляют 1–5 г/л (по сухому веществу) при времени пребывания сточной воды в системе от нескольких часов до нескольких суток.

56

Рис. 13. Схемы аэротенков:

а — вытеснения; б — смешения; в — с рассредоточенной подачей воды и регенератором активного ила

На способности к хлопьеобразованию (флокуляции и флокулообразованию) и седиментации основано удаление ила из сточной воды во вторичном отстойнике и рециркуляция его в аэротенк для повышения его окислительной способности.

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 перемеши-

57

ваниисодержимогобассейна.Взависимостиотстепенизагрязненности и объема сточной воды, состава загрязнений и условий очистки применяют различные гидродинамические режимы организации потока воды, ее циркуляции, подачи возвратного активного ила и аэрирования. Подача воздуха в коридоры аэротенка осуществляется через пористые железобетонные плиты или через систему пористых керамических труб. Обычно воздухораспределительное устройство располагают не по центру, а около одной из стен коридора. В результате этого в аэротенке происходит турбулизация потока и сточные воды нетолькопродвигаютсявдолькоридоров,ноизакручиваютсяпоспирали внутри него.

К сооружениям биологической очистки с активным илом относятся также окситенк (с аэрацией воздухом, обогащенным кислородом или чистым кислородом), фильтротенк (с разделением активного ила и сточной воды фильтрацией), окислительные каналы (с циркуляцией сточной воды и системами поверхностной аэрации), шахтные аппараты (в виде шахт или колонн для повышения давления воды).

Окситенк—этогерметическизакрытыйрезервуар,вкоторыйпо- дается технический кислород. Особенностями такого способа очистки являются:

•увеличение концентрации кислорода в воде до 5–10 мг/л вместо обычно принятой для аэротенков концентрации в 1,5–2 мг/л, что существенно повышает устойчивость очистных процессов при шоковых и резко колеблющихся нагрузках на активный ил;

•высокая окислительная мощность, до 5–6 раз выше, чем в аэротенках;

•прирост активного ила на 25–35 % ниже за счет более глубокого окисления изымаемых загрязнений, ил значительно лучше отделяется и уплотняется;

•интенсивнее проходят процессы нитрификации аммонийного азота.

По технологической сути процессы биологической очистки в сооружениях с использованием кислорода идентичны очистным процессам в аэротенках, однако их конструктивное оформление и эксплуатация значительно сложнее, чем аэротенков. Это связано с необходимостью практически полного использования подаваемого кислорода, учитывая стоимость его получения и подачи в сооружение.

58

Циркуляционные окислительные каналы (ЦОК) получили распространение в Европе. Эти аэрационные сооружения представляют собой замкнутый канал трапецеидального или прямоугольного сечения овальной в плане формы, по которому циркулирует иловая смесь со скоростью 0,25–0,3 м/с. Такая скорость предотвращает осаждение активного ила и обеспечивается горизонтальными цилиндрическими аэраторами, устанавливаемыми поперек канала. ЦОК работает по принципу аэротенков продленной аэрации, как правило без первичного отстаивания. Средняя длительность пребывания ила в нем составляет около 40 сут, что позволяет обеспечить значительную его минерализацию.

Сооружениями биологической очистки с неподвижной биопленкой являются биофильтры — биореакторы с загрузкой, на поверхности которой развивается биопленка микроорганизмов. Простейший биофильтр представляет собой слой фильтрующего материала (загрузки), насыпанный под углом естественного откоса, орошаемый сточной водой с противотоком воздуха.

Биофильтры классифицируются по следующим признакам:

•по степени очистки: на полную и неполную биологическую очистку;

•по способу подачи воздуха: с искусственной аэрацией (аэрофильтры) и естественной подачей воздуха;

•по режиму работы: с рециркуляцией сточной воды (т. е. с возвратом части очищенной жидкости в биофильтр) и без нее;

•по технологической схеме: одно- и двухступенчатые биофиль-

тры;

•по пропускной способности: малой пропускной способности (капельные биофильтры) и большой (высоконагружаемые);

•по виду и особенностям загрузочного материала: биофильтры с объемной (гравий, шлак, керамзит, щебень и др.) и плоскостной загрузкой(съемныеблокиизпластмассы,асбестоцемент,керамика,металл, ткани и др.).

В отличие от аэротенков биофильтры работают без вторичных отстойников. Около 70 % очистных сооружений Европы и Америки представляют собой капельные биофильтры. Срок службы таких биореакторов исчисляется десятками лет (до 50). Основной недостаток конструкции — избыточный рост микробной биомассы, что приводит к засорению биофильтра и вызывает сбои в системе очистки.

59

Биофильтры могут иметь прямоугольную или круглую форму со сплошными стенками и двойным дном: верхним в виде колосниковой решетки и нижним — сплошным (рис. 14). Дренажное дно биофильтра состоит из железобетонных плит с площадью отверстий не менее 5–7 % от общей площади поверхности фильтра. Нижний поддерживающий слой во всех типах биофильтров должен содержать более крупные частицы фильтрующего материала (размером 60–100 мм). Щебеночные биофильтры имеют высоту слоя 1,5–2,5 м и могут быть круглыми или прямоугольными. Входной поток предварительно отстоянных сточных вод с помощью водораспределительного устройства периодически равномерно орошает поверхность биофильтра. Во избежание заиливания лотков дренажной системы скорость движения воды в них должна быть не менее 0,6 м/с.

Сточная

вода

Воздух

Очищенная

вода

Рис. 14. Схема биофильтра (по С. Мосичеву, 1982).

В ходе просачивания сточных вод через материал фильтрующего слоя происходит ряд последовательных процессов: 1) контакт с биопленкой, развивающейся на поверхности частиц фильтрующего материала; 2) сорбция органических веществ поверхностью микробных клеток; 3) окисление веществ стоков в процессах микробного метаболизма. Через нижнюю часть биофильтра противотоком жидкости продувается воздух. Во время паузы между циклами орошения сорбирующая способность биопленки восстанавливается.

60