Очистка бытовых сточных вод

АДФ + ФК → АТФ + НгО  – энергия 

Эта реакция фосфорилирования нуждается  в энергии, источником которой в  данном случае является окисление. Поэтому фосфорилирование АДФ тесно сопряжено с окислением, в связи чем этот процесс называют окислительным фосфорилированием. В процессе окислительного фосфорилирования при окислении, например, одной молекулы глюкозы образуется 38 молекул АТФ, тогда как в стадии гликолиза - только 2. При этом следует отметить, что стадия гликолиза протекает совершенно одинаково и в аэробных, и в анаэробных условиях, т.е. до образования пировиноградной кислоты (ПВК), и на его протекание затрачиваются 2 из 4 образующихся молекул АТФ.

 

Рис. 8. Общая схема аэробного окисления

 

Пути дальнейшей трансформации  ПВК в аэробных и в анаэробных условиях расходятся. Аэробная трансформация глюкозы может быть представлена следующей схемой:

1. Гликолиз: С6Н₁₂О₆ + 2ФК-+2ПВК + 2НАДН₂ + 4АТФ

2. Трансформация пировиноградной кислоты (ПВК):

    2ПВК → 2СО₂ + 2АцетилКоА + 2НАДН₂             

3.  Цикл трикарбоновых кислот (цикл Кребса):

АцетилКоА→ 4СО₂ + 6НАДН₂ + 2ФАДН₂ + 2АТФ      

ΣС6Н12О6 → 6СО₂ + 10НАДН₂ + 2ФАДН₂ + 4АТФ, где ФАД - флавопротеид.       

Окисление НАДН2 в системе переноса электронов дает ЗАТФ на 1 моль; окисление 2ФАДН2 дает 4АТФ,тогда:     С6Н12О₆ + 6О₂ → 6СО₂ + 6Н₂О + 38АТФ              

В условиях анаэробного превращения  углеводов первым этапом является фосфорилирование глюкозы, осуществляемое с помощью АТФ под воздействием фермента гексокиназы, т.е.

Глюкоза + АТФ   ^{гексокиназа}  глюкозо - 6 - фосфат + АДФ   

После завершения стадии гликолиза  и образования ПВК ход дальнейшего превращения ПВК зависит от типа брожения и его возбудителя. Основные типы брожения: спиртовое, молочнокислое, пропионовокислое, маслянокислое, метановое.

Окислительное фосфорилирование может  осуществляться и под воздействием фермента, синтезирующего АТФ на уровне субстрата. Однако, такое образование макроэргических связей носит весьма ограниченный характер, и в присутствии кислорода клетки синтезируют большую часть содержащейся в них АТФ через систему переноса электронов.

Аккумуляция высвобождающейся в процессе диссимиляции вещества в аэробных или анаэробных условиях с помощью макроэргических соединений (и прежде всего АТФ) позволяет устранить несоответствие между равномерностью процессов высвобождения химической энергии из субстрата и неравномерностью процессов ее расходования, неизбежной в реальных условиях существования клетки.

Упрощенно весь процесс распада  органических веществ в ходе аэробных превращений может быть представлен схемой, приведенной на рис.9. Схема же анаэробных превращений ПВК после стадии гликолиза представлена на рис.10.

Рис.9. Упрощенная схема трехстадийного распада молекул питательных веществ (Б.Альбертс и др. 1986)

 

Исследованиями установлено, что зачастую тип метаболизма зависит не столько от наличия кислорода в среде, сколько от концентрации субстрата. В условиях избытка глюкозы этанол вырабатывался дрожжами Candida utilis при любых концентрациях кислорода. Удельная скорость потребления глюкозы r_s и удельная скорость образования этанола г_р зависели как от концентрации кислорода, так и от концентрации глюкозы.

Это указывает на то, что в зависимости  от конкретных условий функционирования биомассы в среде могут одновременно протекать как аэробные, так и анаэробные процессы трансформации органических соединений, интенсивность которых также будет зависеть от концентрации и субстрата и кислорода.

Здесь следует отметить, что в  промышленной биотехнологии для  получения различных продуктов микробиального происхождения (кормовых или пекарских дрожжей, различных органических кислот, спиртов, витаминов, лекарственных препаратов) используются чистые культуры, т.е. микроорганизмы одного вида зачастую селекционируемые, со строгим поддержанием видового состава, соответствующих условий питания, температуры, активной реакции среды и пр., исключающих появление и развитие других видов микроорганизмов, что могло бы привести к отклонению качества получаемого продукта от установленных стандартов.

 

Рис. 10. Превращение пировиноградной кислоты анаэробными микроорганизмами в различные продукты

 

При очистке же сточных вод, содержащих смесь разнообразных по химическому  составу загрязнений, которые иногда даже весьма трудно идентифицировать аналитическими методами, биомасса, осуществляющая очистку, также представляет собой смесь, а точнее, сообщество различных видов микроорганизмов и простейших со сложными между ними отношениями. Как видовой, так и количественный состав биомассы очистных сооружений будет зависеть от конкретного метода биологической очистки и условий его реализации.

По расчетам, при концентрации растворенных органических загрязнений, оцениваемых показателем БПК_полн до 1000 мг/л наиболее выгодно применение аэробных методов очистки. При концентрациях БПК_полн, от 1000 до 5000 мг/л экономические показатели аэробных и анаэробных методов будут практически одинаковыми. При концентрациях же свыше 5000 мг/л более целесообразным будет применение анаэробных методов. Однако, при этом следует принимать во внимание не только концентрацию загрязнений, но и расходы сточных вод, а также тот факт, что анаэробные методы приводят к образованию таких конечных продуктов, как метан, аммиак, сероводород и др. и не позволяют получить качество очищенной воды, сопоставимое с качеством очистки аэробными методами. Поэтому при высоких концентрациях загрязнений применяется сочетание анаэробных методов на первой ступени (или первых ступенях) очистки и аэробных методов на последней ступени очистки. Следует подчеркнуть, что бытовые и городские сточные воды, в отличие от производственных, не содержат концентраций загрязнений, оправдывающих применение анаэробных методов, и потому эти методы очистки в данной главе не рассматриваются.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6.Сооружения для биологической очистки сточных вод

 

Преаэраторы и биокоагyляторы

 

 Преаэраторы  и биокоагyляторы применяют: для  снижения содержания загрязняющих веществ в отстроенных сточных водах сверх обеспечиваемого первичными отстойниками; для извлечения (за счет сорбции) ионов тяжелых металлов и других загрязняющих веществ, неблагоприятно влияющих на процесс биологической очистки. Преаэраторы предусматривают перед первичными отстойниками в виде отдельных пристроенных или встроенных сооружений, биокоагyляторы в виде сооружений, совмещенных с вертикальными отстойниками.

*Преаэраторы применяют на станциях очистки с аэротенками, биокоагyляторы на станциях очистки как с аэротенками, так и с биологическими фильтрами.

 

Биофильтры

Биологические фильтры для очистки производственных сточных вод применяют как основные сооружения при одноступенчатой схеме очистки или в качестве сооружений первой или второй ступени при двухступенчатой схеме биологической очистки. Биологические фильтры проектируют в виде резервуаров со сплошными стенками и двойным дном: нижним сплошным, а верхним решетчатым (колосниковая решетка) для поддержания загрузки.

Капельные биофильтры устраивают с естественной аэрацией, высоконагружаемые как с естественной, так и с искусственной аэрацией (аэрофильтры). Естественную аэрацию биофильтров

предусматривают через окна, располагаемые равномерно по их периметру в пределах междудонного пространства и обору дуемые устройствами, позволяющими закрывать их наглухо.  Площадь окон составляет 1- 5 % площади биофильтра. В аэрофильтрах предусматривают подачу воздуха в междудонное пространство вентиляторами с давлением у ввода 980 Па (100мм вод.ст.).

На  отводных трубопроводах аэрофильтров предусматривают устройство гидравлических затворов высотой 200 мм. В качестве загрузочного материала для биофильтров применяют щебень или гальку прочных горных пород, керамзит, а также пластмассы, способные выдержать температуру от 6 до 30 ^оС без потери прочности. Все применяемые для загрузки естественные и искусственные материалы, за исключением пластмасс, должны выдерживать: давление не менее 0,1 МПа (1 кгс/см² ) при насыпной плотности до 1000 Кг/м^З ;  не менее чем пятикратную пропитку насыщенным раствором сернокислого натрия;  не менее 10 циклов испытаний на морозостойкость;  кипячение в течение 1 ч в 5 % растворе соляной кислоты, масса которой должна превышать массу испытуемого материала в 3 раза. После испытаний загрузочный материал не должен иметь заметных повреждений и его масса не должна уменьшаться более чем на 10 % первоначальной. Загрузка фильтров по высоте выполняется из материала одинаковой крупности с устройством нижнего поддерживающего слоя высотой 0,2 м, крупностью 70..100 мм.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Капельные биологические  фильтры

Рис.11 Капельный биологический фильтр

1 Дозирующий бак, 2 сифон, 3 спринклер, 4 магистральная труба, 5 распределительные трубы, 6 дренаж из плиток, 7 каналы для входа воздуха в дренаж, 8 загрузка фильтра (щебень), 9 канал для отвода очищенной воды.

 

Капельные фильтры наиболее просты по конструкции и загружаются материалами мелких фракций, имеющими развитую макропористую поверхность. Объем загрузки таких фильтров отличается повышенной концентрацией микроорганизмов. Недостаток капельных фильтров — заболачивание загрузки, снижающее степень очистки сточных вод.

В капельном биофильтре сточная  вода подается в виде капель или  струй. Естественная вентиляция воздуха происходит через открытую поверхность биофильтра и дренаж. Такие биофильтры имеют низкую нагрузку по воде; обычно она колеблется от 0,5 до 1 м³ воды на 1 м³ фильтра.

Капельные биофильтры рекомендуется  применять при расходе сточных  вод не более 1000 м³/сутки. Они предназначаются для полной (до БПКго=Ю ...15 мг/л) биологической очистки сточной воды.

Схема работы капельных биофильтров  следующая. Сточная вода, осветленная в первичных отстойниках, самотеком (или под напором) поступает в распределительные устройства, из которых периодически напускается на поверхность биофильтра. Вода, профильтровавшаяся через толщу биофильтра, попадает в дренажную систему и далее по сплошному непроницаемому днищу стекает к отводным лоткам, расположенным за пределами биофильтра. Затем вода поступает во вторичные отстойники, в которых выносимая пленка отделяется от очищенной воды.

При нагрузке по загрязнениям больше допустимой поверхность капельных биофильтров быстро заиливается, и работа их резко ухудшается.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Высоконагружаемые биологические  фильтры

Аэрофильтры

 

В конструктивном отношении аэрофильтры  похожи на обыкновенные биофильтры и  отличаются от них большей высотой фильтрующего слоя и наличием устройств для искусственной вентиляции. В аэрофильтрах для загрузки применяют крупные и достаточно прочные материалы: котельный шлак, гранитный щебень, гравий, туф, известняк твердой породы, антрацит, пластмассы, керамзит. Крупность материала нижнего слоя высотой 0,2 м—50—70 мм, остальных слоев — 30—40 мм.

Воздух подается в аэрофильтр под  давлением не выше 200 мм вод. ст. в  пространство между щелистым и истинным дном при помощи вентиляторов. Расход воздуха не превышает 4—6 объемов на один объем жидкости. Аэрофильтр имеет воздухонепроницаемые стенки. Вода из-под щелистого дна выводится через водяной затвор или др. аналогичное приспособление, препятствующее выходу воздуха наружу. Очищенная жидкость поступает во вторичный отстойник.

Поверхность аэрофильтров равномерно орошается определенным количеством  сточной жидкости с помощью специальных  распределит. устройств.

Размер аэрофильтра зависит  от количества, состава и концентрации очищаемых сточных вод и от требуемой степени очистки. Так как в аэрофильтре аэрация принудительная, окислительный процесс идет весьма интенсивно, и окислительная мощность по сравнению с биофильтрами значительно выше. Окислительная мощность аэрофильтра для очистки бытовых сточных вод определяется по нормам проектирования.

 

 Биофильтры с пластмассовой загрузкой

 

Сооружения биологической  фильтрации, особенно с прикрепленным  биоценозом, хорошо себя зарекомендовали в работе с малыми расходами и пиковыми нагрузками по органике. Они просты, удобны, в них за короткое время (до 30 минут) происходит скоростное изъятие загрязнений. На традиционных биофильтрах в качестве фильтрующей массы применяют объемный материал: щебень, гравий, керамзит. Блочные загрузки из блоков пеностекла имеют преимущества в технологическом, конструктивном и эксплуатационном отношениях по сравнению с другими материалами. Пеностекло - это теплоизоляционный строительный материал. Он отличается механической прочностью, влаго-, паро- и газонепроницаемостью, огнестойкостью, морозостойкостью, долговечностью, устойчивостью к воздействию кислот и продуктов разложения. Площадь адсорбционной поверхности пеностекла в зависимости от величины перфорации с учетом малых и больших пор- 200 кв.м/куб.м.

Пеностекло имеет чрезмерно  развитую поверхность, удерживает в единице объема большое количество биопленки, чем какой-либо другой вид загрузочного материала, что способствует интенсивному изъятию загрязнений из сточных вод.

Распределение сточной воды по поверхности  биофильтра осуществляется с помощью  реактивного оросителя (Рис.5).

Пластмассовые загрузки используются в виде жесткой (кольца, обрезки труб и т.д.), жестко-блочной  (из плоских  и гофрированных листов), а также  мягкой (из пластмассовых пленок) засыпки. Таким образом, загрузка обладает высокой пустотностью, большой сорбционной поверхностью и относительно малым коэффициентом сцепления биопленки с поверхностью загрузки, что создает условия для образования тонкого слоя биопленки. Пластмассовая загрузка исключает заиливание биофильтров, значительно увеличивает объем поступающего воздуха, что способствует повышению окислительной мощности. Кроме достоинств, биофильтры обладают и рядом недостатков. Так, высокая не равномерность поступления сточных вод от малых объектов крайне отрицательно влияет на работу биофильтров и аэротенков. В биофильтрах происходит подсыхание биопленки и наблюдается не равномерность температурного режима ее работы, создаются условия, способствующие заиливанию загрузки. Во избежание этих явлений в часы минимального притока сточных вод осуществляют рециркуляцию очищенных сточных вод, что приводит к дополнительным энергозатратам на перекачку стоков.