Биохимическая очистка сточных вод

- увеличение содержания в природных водах ионов тяже­лых металлов: свинца, ртути, цинка, хрома, кадмия и других из-за слива твердых и жидких отходов с промышленных тер­риторий;

- повышение содержания в пресных водах органических со­единений, ПАВ, пестицидов, нефтепродуктов и, как следствие, уменьшение содержания растворенного кислорода;

- снижение прозрачности воды в водоемах вследствие попа­дания с промышленных, бытовых и ливневых стоков, содер­жащих большое количество взвешенных мелкодисперсных ве­ществ.

Классификация способов очистки сточных вод

В настоящее время большинство крупных промышленных предприятий имеет свои очистные сооружения для очистки сточных вод от вредных примесей. Обычно очистные сооруже­ния занимают довольно большие площади земли, поэтому они располагаются на значительном расстоянии от основных про­изводств. Каждое очистное сооружение для сточных вод вклю­чает современные способы очистки сточных вод.

Известны следующие способы очистки сточных вод, сбра­сываемых в природные водные объекты:

- гидромеханические;

- химические;

- физико-химические;

- биохимические,

В большинстве случаев эти методы применяются комбинированно. Следует отметить, что для осуществления биохимиче­ских методов очистки в сточных водах должны присутствовать необходимые питательные вещества для микроорганизмов. По­этому промышленные сточные воды смешиваются с бытовыми сточными водами, в которых содержатся питательные для мик­роорганизмов примеси. Например, объем сточных вод более чем двухсот промышленных предприятий г. Казани составляет около 200 тыс. м3/сут, а коммунально-бытовых и ливневых стоков - 300-430 тыс. м3/сут в зависимости от времени года. Так, в весенний период вследствие таяния снега объем комму­нально-бытовых сточных вод достигает максимального значе­ния (430 тыс. м3/сут), а летом и зимой уменьшается до 300 тыс. м3/сут. В результате суммарный объем сточных вод, подаваемых на городские очистные сооружения, находится в пределах 500-630 тыс. м3/сут.

На очистных сооружениях сточные воды подвергаются очи­стке от плавающих предметов, взвешенных частиц, нефтепро­дуктов, растворенных органических и неорганических веществ. В зависимости от степени загрязнения и наличия тех или иных веществ, для очистки сточных вод применяются различные комбинации методов.

Во всех случаях очистки стоков первой стадией является меха­ническая очистка, предназначенная для удаления взвеси и дис­персно-коллоидных частиц. Последующая очистка от химических веществ осуществляется различными методами- физико-химическими(флотация, абсорбция, ионообмен, дистилляция, обратный осмос, ультрафильтрация и др.), химическими (реагентная очистка),  электрохимическими, биологическими. Если в сточных водах имеются токсичные вещества, применяют термические ме­тоды очистки.

В зависимости от характера примесей в сточных водах применяют те или иные приемы очистки или их комбинации:

- для очистки от суспензированных и эмульгированных при­месей - отстаивание, флотацию, фильтрацию, осветление, цент­рифугирование (для грубодисперсных частиц); коагуляцию, флокуляцию, электрические методы осаждения (для мелкодисперс­ных и коллоидных частиц);

- для очистки от неорганических соединений — дистилляцию, ионообмен, обратный осмос, ультрафильтрация реагентное осаждение, методы охлаждения, электрические методы;                                                     

- для очистки от органических соединений экстракцию, аб­сорбцию, флотацию, ионообмен, реагентные методы (регенерационные методы); биологическое, жидкофазное и парофазное окис­ление, озонирование, хлорирование, электрохимическое окисле­ние (деструктивные методы);

- для очистки от газов и паров — отдувку, нагрев, реагентные методы;

- для уничтожения вредных веществ — термическое разложе­ние.

Для очистки стоков от соединений фосфора и азота, загрязня­ющих водоемы и приводящих к их эвтрофикации (эвтрофика-ция — это повышение биологической продуктивности водных объектов в результате накопления в воде биогенных элементов под действием антропогенных или природных факторов), приме­няют специальные методы, например удаление соединений фос­фора при помощи сульфатов алюминия или железа. Если из вод удалить соединения фосфора, то рост водорослей даже в присут­ствии соединений азота прекращается. Освобождение стоков от соединений азота (аммиака, нитритов и нитратов) производится большей частью в процессе биологической очистки и с примене­нием методов абсорбции и ионообмена (аммиак). Присутствие в воде более 10 мг/л нитритов и нитратов очень опасно, так как при использовании такой воды в качестве питьевой может возникнуть заболевание крови.

Создание на предприятиях установок для очистки сточных вод позволяет решить две задачи: предупредить попадание вредных веществ в водоемы и сократить расход потребляемой воды. Воз­врат очищенной воды в производственный цикл позволяет орга­низовать кругооборот воды на предприятии. На некоторых пере­довых предприятиях в замкнутом цикле находится 95—97 % всей потребляемой воды. Расход свежей воды связан в основном с не­обходимостью восполнения потерь, вызванных испарением или некоторыми неизбежными процессами, например образованием кристаллогидратов. Среди мероприятий, связанных с совершен­ствованием технологических процессов, следует упомянуть о за­мене водяного охлаждения воздушным.

Огромное значение имеет система контроля за качеством сточ­ных вод, а также воды на всех стадиях ее применения в технологи­ческих процессах. Аналитическая техника позволяет установить многочисленные свойства и характеристики воды: органолептические — цвет, вкус, запах, прозрачность, мутность; физико-хи­мические — температуру, электропроводность, оптическую плот­ность, значение рН, жесткость, общее содержание солей и др.; об­щее содержание растворенных веществ, в частности кислорода, и органических веществ, содержание отдельных веществ (углерода, азота, серы), химическое (ХПК) и биологическое (ВПК) потреб­ление кислорода. Проводят индивидуальные анализы для опреде­ления содержания наиболее вредных примесей, например фенола, ртути, кадмия и др.

Большинство анализов определяется автоматически. В ряде наиболее важных пунктов создаются централизованные станции контроля, которые следят за качеством воды на больших участках водной системы.

Биохимическая очистка сточных вод

Биохимический метод применяют для очистки хозяйствен­но-бытовых и промышленных сточных вод от растворенных органических и некоторых неорганических (H2S, NНз, нитри­тов и сульфидов) веществ. Биохимическая очистка основана на способности микроорганизмов использовать эти вещества для питания и размножения в процессе жизнедеятельности, так как органические вещества для микроорганизмов являются источ­ником углерода. Основными показателями, характеризующими степень за­грязненности сточных вод, является химическое и биологиче­ское потребление кислорода.

Химическое потребление кислорода (ХПК) — это количество кислорода в миллиграммах на 1 л воды, необходимое для окис­ления углеродсодержащих веществ до углекислого газа и воды, азотсодержащих веществ — до нитратов, серосодержащих ве­ществ - до сульфатов, фосфорсодержащих веществ - до фос­фатов, органических веществ – до углекислого газа и воды, мг О2/л. Так, количество растворенного кислорода в воде водо­ема после смешения с ней сточных вод не должно быть меньше 4 мг/л в любой период года в пробе, взятой до 12 ч дня.

Биологическое (биохимическое) потребление кислорода (БПК) представляет собой количество кислорода, израсходо­ванное в определенный промежуток времени на аэробное окис­ление нестойких органических соединений до углекислого газа и воды, мг О2/л. Его определяют для различных отрезков вре­мени, например, за 5 суток(БПК5), за 20 суток (БПК20), также независимо от времени до полного окисления органики (БПКполн). Биохимическая потребность в кислороде при 20°С не должна превышать: 6 мг/л для водоемов и рек первой катего­рии; 3 мг/л для водоемов и рек второй категории.

Биологическая очистка происходит при непосредственном участии микроорганизмов.

Биоразлагаемость сточных вод характеризуется через био­химический показатель, который определяется отношением

БПКполн/ХПК >0,5

При таком показателе сточные воды подвергаются биологи­ческому окислению. Промышленные сточные воды имеют низ­кий биохимический показатель (0,005-0,3). Бытовые сточные воды, напротив, имеют высокий биохимический показатель (значительно выше 0,5). Поэтому перед биологической стадией очистки промышленные сточные воды смешиваются с комму­нально-бытовыми.

Биохимический показатель является    параметром, необходимым для расчета эксплуатации промышленных очистных сооружений.

После смешения воды водоемов и рек с промышленными и коммунально-бытовыми стоками кислотность воды должна быть в пределах 6,5 <рН < 8,5.

Размерность ХПК и БПК одинакова: в миллиграммах О2/л. Таким образом, по ХПК и БПК можно прогнозировать возмож­ность эвтрофикации водного объекта. Показатели в сточных, оборотных и природных водах постоянно контролируются са­нитарными лабораториями предприятий.

Микроорганизмы, участвующие в биоразложении органиче­ских веществ, представляют собой смесь водорослей, зоо­планктона, бактерий, мелких членистоногих и т. д. Все эти ор­ганизмы называются активным илом.

Твердый субстрат составляет 40% массы активного ила и представляет собой остатки водорослей и другие твердые ос­татки, к которым прикрепляются скопления микроорганизмов. В воде активный ил представляет собой хлопья размером 1-4 мм. Поверхность хлопьев составляет до 1200 м2 на 1 м3 ак­тивного ила.

Качество активного ила определяется скоростью его осаж­дения и степенью очистки сточной воды. Крупные хлопья осе­дают быстрее, чем мелкие.

Важной характеристикой активного ила является иловый индекс, который представляет собой

отношение объема осаж­даемой части ила к массе высушенного осадка после отстаива­ния в течение 30 мин. Чем хуже оседает ил, тем более высокий индекс он имеет.

Дозировка активного ила в сточные воды зависит от илового индекса. Чем он меньше, тем большую дозу активного ила не­обходимо подавать на очистные сооружения. Наиболее эффективно работает свежий активный ил при температурах 20-30°С.

Механизм процесса биохимической очистки

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 счет конвективной и молекулярной диффузии, а вовнутрь клеток - путем диффузии через полупроницаемые мембраны.

Однако большая часть вещества попадает вовнутрь клеток при помощи специфического белка - переносчика. 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 органического вещества, протекающие внутри клеток микроорганизмов. Эти процессы заканчиваются окислением вещества с выделением энергии и синтезом новых веществ, приводящих к увеличению объема активного ила.

Влияние различных факторов на процесс биохимической очистки сточных вод

Скорость биохимического окисления зависит от турбулизации потока, содержания кислорода в сточной воде, температу­ры и рН среды, содержания биогенных элементов, тяжелых ме­таллов и минеральных солей.

Турбулизация сточных вод в очистных сооружениях способ­ствует распаду хлопьев активного ила на более мелкие и уве­личивает скорость поступления питательных веществ и кисло­рода к микроорганизмам, что приводит к повышению скорости очистки. Турбулизация потока достигается интенсивным пере­мешиванием, при котором активный ил находится во взвешен­ном состоянии, что обеспечивает равномерное распределение его в сточной воде.

Содержание кислорода в сточной воде. Микроорганизмы для окисления органики могут использовать только растворен­ный в воде кислород. Для насыщения сточной воды кислоро­дом проводят процесс аэрации через барботеры. При этом ки­слород из воздушных пузырьков абсорбируется водой, а затем переносится к микроорганизмам.

Влияние температуры заключается в том, что с её повыше­нием скорость биохимического окисления возрастает. На прак­тике оптимальным считается температурный интервал 20-30°С. Повышение температуры в этих пределах ускоряет процесс в 2-3 раза, рН среды должно быть в пределах 6,5-9,0.

Содержание биогенных элементов и минеральных солей. Для успешного протекания реакций биохимического окисления сточных вод необходимо присутствие в них соединений био­ генных элементов. Среди этих элементов основными являются N, Р, К, которые при биохимической очистке должны присут­ствовать в определенных количествах.

Недостаток азота тормозит окисление органических загряз­няющих веществ и приводит к образованию нитчатых бактерий, что является основной причиной «вспухания» активного ила.

При нехватке азота, фосфора или калия в сточную воду вводят различные азотные, калийные или фосфорные удобре­ния. Кроме того, эти соединения содержатся в бытовых сточ­ных водах, поэтому при их совместной очистке с промышлен­ными стоками дополнительной добавки биогенных элементов не требуется.

Аэробные методы очистки сточных вод

На эффективность биохимической очистки сточных вод большое влияние оказывает температура. Обычно температуру в аэротенках поддерживают в пределах 20-30°С. Повышение температуры за пределы этого интервала приводит к гибели микроорганизмов, а снижение - к ухудшению процесса очист­ки сточных вод.

В Республике Татарстан в настоящее время работает 14 крупных очистных сооружений сточных вод с использованием аэротенков. Их суммарная проектная мощность составля­ет 460 млн. м3 сточных вод в год.