Контрольные вопросы и задания

1. Расскажите про прямой и обратный осмос.

2. Какие основные отличия процессов фильтрования и обратного

осмоса как методов очистки сточных вод?

3. Охарактеризуйте процесс осадкообразования на мембранах.

4. Расскажите про полимерные мембраны.

5. Расскажите про жидкие мембраны.

6. Расскажите про керамические мембраны.

Практическая работа 7 биологическая очистка сточных вод

Цель работы: изучить основные методы биологической очистки сточных вод, их применимость в природоохранной практике, рассмотреть факторы, влияющие на качество процессов.

Теоретические сведения

Данный процесс основан на способности некоторых микроорганизмов использовать вещества, загрязняющие сточные воды, для питания в процессе своей жизнедеятельности.

Основной процесс, протекающий при биологической очистке сточных вод, – это биологическое окисление, которое осуществляется сообществом микроорганизмов (биоценозом), состоящим из множества различных бактерий, простейших водорослей, грибов и т.д. Главенствующая роль в этом сообществе принадлежит бактериям, которые принимают активное участие в биохимических процессах удаления из сточных вод различных соединений органического и неорганического происхождения.

Биохимическое разрушение органических веществ может осуществляется в анаэробных и аэробных условиях.

Анаэробная очистка производственных сточных вод производится чаще всего для минерализации осадков промстоков, содержащих большое количество органических веществ. Этот метод не нуждается в кислороде и может протекать без его доступа.

Аэробная очистка сточных вод, которые в дальнейшем могут быть использованы в качестве оборотных вод, производится с помощью аэробных микроорганизмов, т.е. нуждающихся в процессе своей жизнедеятельности в кислороде. Конечными продуктами полной аэробной минерализации органических веществ являются CO₂, H₂O, нитраты, нитриты и другие соединения.

Основным элементом аэробного биоценоза является бактериальная клетка. В клетке происходят разнообразные многоэтапные процессы трансформации органических веществ. В составе биоценоза имеются бактерии, которые способны потреблять только определённые углеводороды или аминокислоты. Наряду с этим имеется большое число бактерий, участвующих в нескольких этапах разложения органического вещества. Они могут использовать сначала белки, углеводы, окислять спирты, а затем кислоты, или спирты и альдегиды и т.д. Одни виды микробов могут вести распад органического вещества до конца, например, до образования углекислого газа и воды, другие только до образования промежуточных продуктов. По этой причине при очистке оборотных вод дают необходимый эффект не отдельные культуры микроорганизмов, а их естественный комплекс, включая и более высокоразвитые виды.

Питательные вещества в бактериальную клетку поступают через всю поверхность тела и только в растворённом состоянии. Нерастворённые и коллоидные (эмульгированные) примеси могут предварительно переводиться в водорастворимые состояния с помощью особых катализаторов химических реакций – ферментов. Они вызывают гидролиз веществ до более простых и растворимых в воде соединений. Каждый фермент действует лишь на строго определённое вещество, и поэтому микроорганизм вырабатывает в себе комплекс разнообразных ферментов, соответствующих его физиологическим особенностям и потребностям.

Возможность применения биохимического метода для очистки оборотных вод определяется способностью содержащихся в них органических соединений проникать в бактериальную клетку и подвергаться в ней различным превращениям. Проникновение веществ в клетку зависит от размера и строения их молекул, способности адсорбироваться на поверхности клетки, растворяться в составляющих её компонентах или вступать с ними в химическое взаимодействие, а также поддаваться ферментальному разложению. Степень проникновения различных соединений в бактериальную клетку при одной и той же их концентрации различно. Наиболее трудно проникают в клетку минеральные соли.

Поступившие в бактериальную клетку питательные вещества подвергаются в ней сложным превращениям и служат материалом для синтеза новых органических соединений, входящих в состав клетки, а также источником энергии. Процесс усвоения питательных веществ, т.е. ассимиляции, сопровождается диссимиляцией – распадом веществ в организме. Продукты диссимиляции выделяются в окружающую среду или частично вновь используются в обмене веществ. За сутки некоторые виды бактерий перерабатывают питательных веществ в 30–40 раз больше собственной массы.

Аэробные процессы биохимической очистки могут протекать как в естественных условиях (на полях орошения, полях фильтрации, биохимических прудах), так и в искусственных очистных сооружениях (в аэротенках, биофильтрах), в которых процессы очистки протекают с большей скоростью, чем в естественных условиях.

Поля орошения. Это специально подготовленные и спланированные земельные участки, используемые одновременно для очистки сточных или оборотных вод и для агрокультурных целей. Если на полях не выращиваются сельскохозяйственные культуры и они предназначены только для очистки сточных вод, то они называются полями фильтрации.

Биологические пруды. Пруды предназначены для биологической очистки и для доочистки сточных вод в комплексе с другими очистными сооружениями. Они представляют собой земельные сооружения (каскад прудов, состоящий из 3–5 ступеней), через которые с небольшой скоростью протекает осветлённая или биологически очищенная сточная вода. Различают пруды с естественной или искусственной аэрацией. Пруды с естественной аэрацией имеют небольшую глубину (0,5–1 м), хорошо прогреваются солнцем и заселены водными организмами.

В искусственных условиях процесс биологической очистки сточных вод проводят в биофильтрах или аэротенках с использованием биоплёнки или активного ила.

Биофильтры представляют собой достаточно большую ёмкость (обычно цилиндрической формы диаметром от 6 до 30 метров, изготовленную из кирпича или железобетона), внутри которой размещается кусковая насадка (загрузка), и предусмотрены распределительные устройства для сточной воды и воздуха. Сточные воды проникают через крупнозернистую насадку, покрытую тонкой бактериальной плёнкой. Благодаря этой плёнке, интенсивно протекают процессы биологического окисления. Именно она служит действующим началом в биофильтрах.

Аэротенки – огромные резервуары из железобетона. Здесь очищающее начало – активный ил, состоящий из бактерий и микроорганизмов. Все эти живые существа бурно развиваются в аэротенках, чему способствуют органические вещества сточных вод и избыток кислорода, поступающего в сооружение потоком подаваемого воздуха. Бактерии склеиваются в хлопья и выделяют ферменты, минерализующие органические загрязнения. Ил с хлопьями быстро оседает, отделяясь от очищенной воды. Инфузории, жгутиковые амёбы и другие мельчайшие животные, пожирая бактерии, не слипающиеся в хлопья, омолаживают бактериальную массу ила.

Сточные воды перед биологической очисткой сначала подвергают механической и химической очистке, хлорированию жидким хлором или хлорной известью для удаления болезнетворных бактерий. Для дезинфекции используют также другие физико-химические методы (ультразвук, электролиз, озонирование и др.).

В результате процессов биологической очистки сточная вода может быть очищена от многих органических и некоторых неорганических примесей. Качество биологической очистки во многом определяется особенностями биоценоза активного ила, на который оказывает влияние целый комплекс абиотических и биотических факторов. Основными факторами, воздействующими на биоценоз ила, являются: температура, состав сточных вод и наличие в них токсичных веществ, влияющих на жизнедеятельность микроорганизмов; разнообразие растворённых питательных веществ, используемых микроорганизмами для роста, и фактические концентрации этих веществ; содержание растворённого кислорода в иловой смеси.

Одним из важных свойств ила, определяющего качество и эффективность биологической очистки, является способность к флокуляции активного ила. При нормально идущих процессах очистки масса активного ила представлена хлопьями с плотностью в среднем 1,1–1,37 г/см³ и размером от 53 до 212 мкм. Бактериальные клетки расположены внутри, на поверхности хлопьев могут быть отдельные, не связанные с хлопьями, одиночные бактерии.