Биохимическая очистка сточных вод. Сущность процессов, область применения

Биохимические методы применяют для очистки хозяйствен­но-бытовых и промышленных сточных вод от многих растворенных органических и некоторых неорганических (сероводорода, сульфи­дов, аммиака, нитритов и др.) веществ.

Процесс очистки сточных вод от вредных веществ основан на способности микроорганизмов использовать эти вещества для питания в процессе жизнедеятельности - органические вещества для микроорганизмов являются источником углерода.

Сточные воды, направляемые на биохимическую очистку, характеризуются величиной БПК и ХПК.

БПК - это биохимическая потребность в кислороде или ко­личество кислорода, использованного микроорганизмами для окисления органических веществ (не включая процессы нитрифи­кации) за определенный промежуток времени (2, 5, 8,10, 20 сут.), в мг О2 на 1 литр. Например: БПК5 - биохимическая потребность в кислороде за 5 сут., БПКП0Лн- полная биохимическая потребность в кислороде до начала процессов нитрификации.

ХПК - химическая потребность в кислороде, то есть коли­чество кислорода, необходимого для окисления всех органиче­ских веществ, содержащихся в воде. ХПК также выражают в мг О2 на 1 литр.

Известны аэробные и анаэробные методы биохимической очистки сточных вод

Аэробный метод основан на использовании аэробных групп организмов для жизнедеятельности которых необходимы посто­янный приток кислорода и температура 20-40 °С. При изменении кислородного и температурного режимов состав и число микроор­ганизмов меняются. При аэробной очистке микроорганизмы куль­тивируются в активном иле или биопленке.

Анаэробные методы очистки протекают без доступа кислоро­да; их используют, главным образом, для обезвреживания осадков.

Активный ил состоит из живых организмов и твердого суб­страта. Живые организмы представлены скоплениями бактерий ^и одиночными бактериями, простейшими червями, плесневыми гри­бами, дрожжами, актиномицетами и редко - личинками насекомых, рачков, а также водорослями и др. Сообщество всех живых орга­низмов, населяющих ил, называют биоценозом. Биоценоз активно­го ила в основном представлен двенадцатью видами микроорга­низмов и простейших

Сухое вещество активного ила содержит 70-90% органиче­ских и 30-10% неорганических веществ. Субстрат, которого в ак­тивном иле может быть до 40%, представляет собой твердую отмершую часть остатков водорослей и различных твердых остатков. К нему прикрепляются организмы активного ила.

Качество ила определяется скоростью его осаждения и сте­пенью очистки жидкости. Крупные хлопья оседают быстрее, чем мелкие. Состояние ила характеризует иловый индекс, который представляет собой отношение объема осаждаемой части актив­ного ила к массе высушенного осадка (в граммах) после отстаива­ния в течение 30 мин. Измер в см3/г Чем хуже оседает ил, тем более высокий иловый индекс он имеет

Биопленка растет на наполнителе биофильтра,1 она имеет вид слизистых обрастаний толщиной 1-3 мм и более. Цвет ее ме­няется с изменением состава сточных вод от серовато-желтого до темно-коричневого. Биопленка состоит из бактерий, грибов, дрож­жей и других организмов.

Для того, чтобы происходил процесс биохимического окис­ления органических веществ, находящихся в сточных водах, они должны попасть внутрь клеток микроорганизмов. К поверхности клеток вещества поступают за рчет конвективной и молекулярной диффузии, а внутрь клеток - диффузией через полупроницаемые цитоплазматические мембрань^ возникающей вследствие разно­сти концентраций веществ в клетке и вне ее.' Однако большая часть вещества попадает внутрь клеток при помощи специфиче­ского белка-переносчикаГ Образующийся растворимый комплекс вещество—переносчик диффундирует через мембрану в клетку, где он распадается, и белок-переносчик включается в новый цикл переноса.

Основную роль в процессе очистки сточных вод играют про­цессы превращения вещества, протекающие внутри клеток микро­организмов. Эти процессы заканчиваются окислением вещества с выделением энергии и синтезом новых веществ с затратой энергии.

Внутри клеток микроорганизмов происходит непрерывный и очень сложный процесс химических превращений. В строгой по­следовательности с большой скоростью протекает большое число реакций. Скорость реакций и их последовательность зависят от вида и содержания ферментов, которые выполняют роль катали­заторов. Ферменты ускоряют только те реакции, которые протека­ют самопроизвольно, но с очень малой скоростью.

Ферменты (или энзимы) представляют собой сложные белковые соединения с молекулярной массой, достигающей сотен ты­сяч и миллионов в ед.

Нитрификация и денитрификация. При очистке сточных вод под действием нитрифицирующих бактерий протекают про­цессы нитрификации и денитрификации. Нитрифицирующие бак­терии окисляют азот аммонийных соединений сначала до нитритов, а потом до нитратов. Этот процесс называется нитрификаци­ей и протекает в две стадии. Он является конечной стадией мине­рализации азотсодержащих органических веществ. Присутствие нитрат-ионов в очищенной сточной воде является одним из пока­зателей полноты очистки. Ф-ла

Под действием денитрифицирующих бактерий связанный кислород отщепляется от нитритов и нитратов и вновь расходует­ся на окисление органических веществ. Этот процесс называется денитрификацией. Условиями осуществления процесса денитрификации, являются: наличие органических веществ, небольшой доступ кислорода, нейтральная или слабощелочная реакция.

Денитрификация - процесс многостадийный и может проте­кать с образованием аммиака, молекулярного азота либо оксидов азота. При очистке сточных вод денитрификация протекает, глав­ным образом, с образованием азота (редко образуется NH3- аммиак) Ф-лы

Органические азотсодержащие соединения разлагаются с образованием аммиака. Например, карбамид (мочевина) разлага­ется по уравнению CO(NH2)2 + 2Н2О→ (NH4)2СО3=2NH3 + СО2 + Н2О

Разложение органических соединений может происходить через образование аминокислот, которые далее выделяют аммиак при протекании различных процессов.

Методы биохимической очистки

Аэробные процессы биохимической очистки сточных вод мо­гут протекать в природных (естественных) условиях и искуствен-ных сооружениях. Биохимическую очистку называют полной, если БПК очищенной воды составляет менее 20 мг/л, и неполной при БПК более 20 мг/л.

В естественных условиях очистка происходит на полях оро­шения, полях фильтрации и биологических прудах. Искусственные сооружения - аэротенки и биофильтры разной конструкции. В ис­кусственных сооружениях процессы очистки протекают с большей скоростью, чем в естественных условиях.

8.3.1 Биохимическая очистка в природных условиях

В естественных условиях очистка происходит на полях оро­шения, полях фильтрации и биологических прудах.

Сооружения естественной очистки применяются в основном для очистки бытовых сточных вод Производительность от 1 м3/сут. до 100 тыс. м3/сут.

Если на полях выращ-ся с/х куль-ры, то такие земледель-е поля после Биол оч улавли-ся и удобр-ся- это поля орошения. Очистка сточных вод идет под дейст­вием почвенной микрофлоры (бактерии, актиномиценты, дрожжи, грибы, водоросли, простейшие, беспозвоночные), солнца, воздуха и под влиянием жизнедеятельности растений

Если на полях не выращиваются сельскохозяйственные культуры и они предназначены только для биологической очистки сточных вод, то они называются полями фильтрации. Земледель­ческие поля орошения после биологической очистки увлажняются и используются для выращивания сельскохозяйственных культур.

В процессе биохимической очистки на полях сточные воды фильтруются через слой почвы В ней задерживаются взвешенные и коллоидные вещества, которые со временем образуют в порах почвы микробиологическую пленку Образовавшаяся пленка ад­сорбирует коллоидные частицы и растворенные в сточных водах вещества. Проникающий из воздуха в поры кислород окисляет за­держанные органические вещества, превращая их в минеральные соединения. В глубокие слои почвы проникновение кислорода за­труднено, поэтому наиболее интенсивное окисление происходит в верхних слоях почвы (0,2-0,4 м) При недостатке кислорода в пру­дах начинают преобладать анаэробные процессы.

При применении очистных сооружений с полями орошения и круглогодичном приеме сточных вод с сезонным регулированием их подачи, полив осуществляется только в вегетационный период, а остальное время года сточные воды поступают в пруды-накопители вместимостью, равной шестимесячному расходу сточ­ных вод.

Биологические пруды. Предназначены для биохимической очистки и для доочистки сточных вод в комплексе с другими очист­ными сооружениями Представляют собой каскад прудов, состоя­щий из 3-5 ступеней, через которые с небольшой скоростью проте­кает осветленная или биологически очищенная сточная вода.

Различают пруды с естественной и искусственной аэрацией. Пруды с естественной аэрацией имеют небольшую глубину (0,5-1 м), хорошо прогреваются солнцем и заселены водными организмами.

Бактерии используют для окисления загрязнений кислород, выделяемый водорослями в процессе фотосинтеза, а также ки­слород из воздуха. Водоросли, в свою очередь, потребляют СО2, фосфаты, аммонийный азот, выделяемые при биохимическом разложении органических веществ.

Осенью пруды опорожняются. Один раз в два-три года про­изводится перепашка дна и посадка растительности.

Аэротенки. Аэротенки представляют собой железобетонные резервуары, прямоугольные в плане, разделенные перегородками н отдельные коридоры (двух-, трех- и четырехкоридорные). Пр-с оч-ки идет по мере протекания ч/з аэротенк аэрированной смеси ст воды и актив ила. Аэрация нео-ма для насыщения ст воды О2 и для подд-я ила во взвеш-ом сост-ии. По структуре потоков сточной воды и возвратного активного ила аэро­тенки бывают трех типов:

1) аэротенки - вытеснители;

2) аэротенки - смесители;

3) аэротенки промежуточного типа (рис.8.2).

В аэротенках-вытеснителях воду и ил подают в начало со­оружения, а смесь отводят в конце его. Аэротенк имеет 1-4 кори­дора. Такие аэротенки применяют для окисления малоконцентри­рованных вод (БПК полн до 300 мг/л).

В аэротенках-смесителях воду и ил вводят равномерно вдоль длинных сторон коридора аэротенка. Они предназначены для очистки концентрированных производственных сточных вод (БПК полн до 1000 мг/л).

Рис. 8.2. Схемы аэротенков с различной структурой потоков

сточной воды и возвратного активного ила: а - аэротенк-вытеснитель; б - аэротенк-смеситель; в - аэротенк промежуточного типа с рассредоточенной подачей сточной воды

В аэротенках с рассредоточенной подачей сточной воды ее подают в нескольких точках по длине аэротенка, а отводят из торцевой части. Возвратный ил полностью подают в начало аэротенка. Эти аппараты занимают промежуточное положение между аэротенками-вытеснителями и аротенками-смесителями

Время нахождения в аэротенке обрабатываемой сточной воды составляет 6-12(24) ч. За это время масса органических за­грязнений перерабатывается биоценозом активного ила. Из аэро­тенка смесь обработанной сточной воды и активного ила посту­пает во вторичный отстойник, где активный ил оседает на дне от­стойника, затем отводится в резервуар насосной станции, а очи­щенная сточная вода поступает либо на дальнейшую доочистку, либо на обезвреживание. В процессе биологического окисления происходит прирост биомассы активного ила. Избыток ила выво­дится из системы в сооружения по обработке осадка. Основная часть в виде циркуляционного активного ила снова возвращается в аэротенк. Комплексы очистных сооружений, в состав которых входят аэротенки, имеют производительность от нескольких десятков кубических метров сточных вод в сутки до 2-3 млн. м3/сут.

Биофильтры. Применяются при расходах бытовых и произ­водственных сточных вод до 20-30 тыс. мэ/сут. Биофильтр пред­ставляет собой резервуар, круглый или прямоугольный в плане, который заполняется загрузочным материалом. В БФ ст вода фильт-ся ч/з слой загрузки. к-рая покрыта пленкой из микроорган-ов. В качестве загруз­ки используют различные материалы с высокой пористостью, ма- > лой плотностью и большой удельной поверхностью. Загрузочный материал поддерживается решетчатым днищем. По типу загрузоч­ного материала биофильтры делят на две категории:

1) с объемной загрузкой, состоящей из гравия, шлака с крупно­стью 15-80 мм;

2) с плоскостной загрузкой - из пластмасс, асбестоцемента, ке­рамики, металла, тканей.

Объемная загрузка засыпается навалом после сортировки фракций слоем высотой 2-4 м. Высота слоя загрузки плоскостного материала составляет 4-8 м.

Сточная вода подается выше поверхности загрузочного ма­териала, равномерно над ней распределяется. На поверхности за­грузочного материала образуется биологическая пленка из микро­организмов, аналогично активному илу в аэротенке. Микроорга­низмы биопленки окисляют органические вещества, используя их как источники питания и энергии. Обработанная сточная вода че­рез загрузочный материал и отверстия поддерживающего днища поступает на сплошное днище биофильтра и с помощью лотков во вторичный отстойник.

Анаэробные методы

Анаэробные методы биохимической очистки используют для сбраживания осадков, образующихся при биохимической очистке производственных сточных вод, а так же как первая ступень очист­ки очень концентрированных сточных вод (БПК полн = 4-5 г/л), со­держащих органические вещества, которые разрушаются анаэроб­ными бактериями в пр-се брожения. Для очистки сточных вод используют метановое брожение (с образованием метана), Процесс проводят в метантенках - герметически закрытых резервуарах с приспособле-ми для ввода осадков и вывода образ-ся в-в.