Автор: В.Ф. Панин
Теоретические основы защиты окружающей среды
Конспект лекций по учебной дисциплине. Томск: ТПУ, 2009. – 115с.
| Предыдущая |
Содержание статьи:
2. Защита гидросферы от загрязнений
2.7. Очистка сточных вод
2.7.6. Биологическая очистка сточных вод
2.7.6.1. Общие представления о биологической очистке сточных вод
Биологическая очистка сточных вод – технологический процесс очистки сточных вод, основанный на способности биологических организмов (редуцентов) разлагать загрязняющие вещества [15].
Биологическое разрушение (окисление) загрязняющих органических веществ производит биоценоз, включающий в себя в общем случае бактерий, простейших, водорослей, грибов, коловраток, червей и т.д., потребляющих органическое вещество и в процессе дыхания превращающих его в воду и углекислый газ. Пирамида массы данного биоценоза представлена на рисунке 2.8.
Рисунок 2.8 – Пирамида биомассы биоценоза, разрушающего (окисляющего) органические загрязнения сточных вод
Общая схема окисления загрязняющих органических веществ в аэробных условиях:
а) органические вещества + О2 + N (азот) + P (фосфор) ® микроорганизмы + CO2 + H2O + биологически неокисляемые растворённые вещества;
б) микроорганизмы + О2 ® CO2 + H2O + N + P + биологически не разрушаемая часть клеточного вещества.
Реакция (а) отображает окисление исходных органических загрязнений и образование новой биомассы; реакция (б) представляет процесс эндогенного (внутреннего) окисления клеточного вещества, происходящий после использования внешнего источника питания (органических загрязнений стоков).
Ферментативные реакции окисления загрязняющих органических веществ, содержащихся в сточных водах, происходят внутри бактериальной клетки, куда элементы питания должны попадать сквозь её оболочку. Поэтому важная роль в общем процессе окисления принадлежит внеклеточному ферментативному гидролитическому расщеплению частиц и крупных молекул на более мелкие, соизмеримые с размерами клетки.
2.7.6.2. Влияние факторов на биологическую очистку стоков
Температура. Как правило, оптимальные температуры для аэробных процессов 20…30°С; существуют группы бактерий, функционирующих в других температурных интервалах: психофилы – 10…15°С, термофилы – 50…60°С и др. Роль температуры связана, в частности, с температурной зависимостью растворимости кислорода в воде.
Величина рН. Биологическая очистка эффективна при рН = 5…9, оптимальная – при рН = 6,5…7,5; есть бактерии, склонные к кислой (грибы, дрожжи, рН = 4…6) или к слабощелочной среде (актиномицеты).
Содержание биогенов. Биогенные элементы N и Р необходимы бактериальной клетке как «строительный» (N) и энергетический (Р) материал, необходимы также (в незначительных количествах) элементы Mn, Zn, Cu, Mo и др. [17].
Сбалансированность элементов питания для бактерий в сточных водах определяется соотношением БПКп: N: Р (N – азот аммонийных солей и Р – фосфор в виде растворённых фосфатов). Оптимальным для биоочистки стоков считается соотношение 100 : 5 : 1, характерное для нефтеперерабатывающих заводов; для производства поливинилацетатных пластмасс, например, оно составляет 100 : 3,9 : 0,8.
Уровень питания — величина суточной нагрузки по загрязнениям в пересчёте на 1 м3 очистного сооружения, выражаемая через БПКп, приходящаяся на 1г беззольной части биомассы. Оптимальная (классическая) суточная нагрузка – 150…400 мг БПКп/г×сут.
Токсичные вещества. Ими могут быть органические и неорганические вещества, их действие может быть микробостатическим (задерживается рост и развитие микроорганизмов) и убивающим (микробоцидным). Существуют ПДК для сооружений биологической очистки.
2.7.6.3. Методы и сооружения биологической очистки
Естественные методы: почвенная очистка на полях фильтрации (орошения) и очистка в биологических прудах.
Биологическая очистка на полях орошения заключается в том, что при прохождении стоков через слой почвы в последней адсорбируются взвешенные и коллоидные вещества, образующие микробиологическую плёнку. Эта плёнка окисляет задержанные органические вещества и минерализует их. Такие поля оснащены системой подводящих, распределительных и отводящих сооружений. Простейший вариант поля орошения для очистки непромышленных стоков описан в [6]. Неочищенные стоки города Эммитсберга (США) сначала поступают в пруд, где оседает мусор и самые крупные частицы. Это – первичная очистка, характерная практически для всех методов биоочистки. Часто вместо пруда используются большие баки, называемые первичными отстойниками. Затем стоки подаются на поля с пахотным слоем около 30 см. Здесь выращивается канареечник – кормовой злак, активно поглощающий из почвы азот и другие биогены. Глинистая водонепроницаемая подпочва образует плавный уклон в направлении от оросительной трубы: сточные воды просачиваются сквозь пахотный слой и стекают в дренажную канаву на другой стороне поля. По мере прохождения стоков сквозь почву обитающий в ней биоценоз (см. рисунок 2.8) разлагает и усваивает органические отходы и обогащает почву биогенами. Канареечник поглощает питательные элементы, поэтому вода на выходе поля весьма чистая и почти лишена их. Эту воду используют для полива кормовых культур, канареечник скашивают и скармливают скоту. Таким образом, биогены совершают полный круговорот, попадая из сточных вод в траву, в мясо животных, в человека, затем опять в стоки и в почву.
Серьёзным препятствием для подобной очистки и использования промышленных стоков является частое содержание в них ядовитых веществ – свинца, ртути, хрома, не разлагаемой органики. Между тем, промышленность часто сбрасывает свои отходы в коммунальные очистные системы, эти отходы подавляют организмы, участвующие в системах биоочистки и серьёзно снижают её эффективность. Предварительная очистка промышленных стоков от ядовитых отходов позволит шире использовать сточные воды для орошения.
Биологические пруды — искусственные водоёмы с использованием естественных процессов – применяются для очистки промышленных и коммунальных стоков. Здесь культивируют биоценозы, аналогичные рассмотренным для случая полей орошения. Различают биологические пруды с естественной и искусственной аэрацией. Последняя позволяет значительно уменьшить требуемую площадь прудов.
Биологическая очистка сточных вод в искусственных сооружениях производится в биологических фильтрах, аэротенках и окситенках.
В биофильтрах сточная вода из отстойников (первичных) разбрызгивается и стекает струйками по слою щебня, гравия и т.п. загрузочного фильтроматериала, толщина которого может достигать 2…3 м. При разбрызгивании сточная вода обогащается кислородом. Как и в естественных ручьях, в этих условиях функционирует сложная экосистема из бактерий, простейших, мелких червей и других микро- и макроорганизмов, прикреплённых к элементам фильтроматериала. Они “выедают” из протекающей воды органическое вещество, включая патогенов. Случайно смытые с биофильтров организмы устраняются во вторичных отстойниках. В биофильтрах сточные воды теряют до 90 % органических веществ. Интенсивность биоокисления органического вещества в биофильтре повышается при подаче сжатого воздух через фильтр в направлении, противоположном фильтрованию.
Аэротенки представляют собой, в сущности, отстойники, в которые помещают активный ил – смесь микро- и макроорганизмов – детритофагов, то есть пожирателей неживого органического вещества, образующих специфический водный биоценоз (рисунок 2.8) с водой, органическим веществом, биологически неокисляемыми растворёнными веществами и биологически неокисляемой частью клеточного вещества. По мере движения воды по аэротенку она интенсивно аэрируется сжатым воздухом, то есть создаётся идеальная среда для развития указанных организмов.
Окситенки — модификация аэротенков, в которые вместо сжатого воздуха поступает газообразный кислород, что приводит к интенсификации процессов окисления.
Сточная вода после аэро- и окситенков направляется во вторичные отстойники, осадок которого – тот же активный ил, который снова направляют в аэрационный резервуар. Излишки активного ила вместе с илом – сырцом (осадком и всплывшим грубодисперсным веществом в первичном отстойнике) направляют на переработку – сбраживание или компостирование. В результате получают метан и качественное удобрение (гумус) для сельскохозяйственных полей и газонов.
До трёх последних десятилетий острой необходимости в дополнительной очистке сточных вод после вторичной (после вторичных отстойников) не ощущалось [6]. Воду дезинфицировали хлоркой и сбрасывали в естественные водоёмы. Однако по мере развития эвтрофизации всё более значимой становится проблема введения ещё одного этапа очистки – доочистки, устраняющей биогены. Например, фосфаты можно устранить, добавив в воду известь (ионы кальция). Образуется нерастворимый фосфат кальция, который можно удалить фильтрованием. Если избыток фосфата – главная причина эвтрофизации, этого уже достаточно.
При соответствующей доочистке можно добиться того, что получится вода, пригодная для питья. В обозримом будущем предстоит всё чаще решать вопрос о том, оправданно ли направление такой воды в сеть муниципального водоснабжения. Если вопрос нехватки воды обострится (п.п. 2.3, 2.4), то, повидимому, ответ всё чаще будет положительным. Многие из нас бледнеют при мысли о подобном вторичном использовании сточных вод, в частности, городских канализационных стоков. Однако, вероятнее всего, с этим придётся смириться: ведь и в природе в любом случае вода совершает круговорот. Между тем подходящая доочитска может обеспечить воду гораздо лучшего качества, чем получаемая из многих рек и озёр, в которые сбрасываются практически неочищенные канализационные стоки [6].
Перед сточными водами, прошедшими вторичную биоочистку, есть альтернативный путь: на орошение сельскохозяйственных полей и газонов – в случаях, когда это предотвращает забор таких же количеств чистой воды из естественных водоёмов.
| Предыдущая |
