Биологические методы очистки сточных вод

Термические методы очистки сточных вод

Термические методы применяют для очистки сточных вод от минеральных солей и органических веществ. К термическим методам очистки относятся концентрирование и термоокисление.

Концентрирование применяют для удаления из сточных вод растворённых минеральных солей. Концентрирование сточных вод осуществляют следующими способами:

1) Испарение – представляет собой нагревание сточной воды до температуры испарения (кипения) с последующей конденсацией чистых водяных паров.

2) Вымораживание – представляет собой охлаждение сточной воды до температуры ниже температуры замерзания чистой воды, в результате чего чистая вода образует кристаллы пресного льда, а рассол с растворёнными в нём солями образует отдельную жидкую фазу. Кристаллы льда отделяют от рассола и плавят с получением чистой воды. Вымораживание проводят под вакуумом или посредством специальных холодильных агентов (хладагентов) – аммиака, CO₂, бутана, пропана, хладонов (CCl₂F₂, CCl₃F, CClF₃) и др.

3) Кристаллогидратный процесс – представляет собой перевод молекул воды из свободного состояния в связанное путём образования кристаллогидратов при добавлении в сточную воду гидратообразующих агентов – пропана, хлора, хладонов, CO₂ и др. Полученные кристаллогидраты плавят, выделяя чистую воду в виде паров, которые конденсируют.

Термоокислительные методы применяют для удаления из сточных вод органических веществ путём окисления их до нетоксичных соединений кислородом воздуха при высоких температурах.

Термоокисление сточных вод осуществляют следующими способами:

1) Парофазное окисление ("огневой" метод): используется для очистки сточных вод, содержащих большие концентрации органических веществ.

2) Жидкофазное окисление: заключается в окислении растворённых в воде органических веществ кислородом воздуха при температурах 100-350 °С и давлении, обеспечивающем нахождение воды в жидкой фазе – 2-28 МПа.

3) Термокаталитическое окисление: заключается в окислении летучих органических веществ кислородом воздуха в парогазовой фазе в присутствии катализаторов при температурах 260-540 °С. Катализаторами служат Pt, оксиды меди, хрома, цинка, марганца и др.

Биологические методы применяют для очистки сточных вод от многих растворённых и взвешенных органических соединений и ряда неорганических веществ – сероводорода, сульфитов, сульфидов, аммиака, нитритов и др.

В основе биологической очистки лежит способность и потребность микроорганизмов использовать содержащиеся в сточных водах органические и минеральные соединения в качестве питательных веществ и источника энергии для своего развития и жизнедеятельности. При этом сложные органические вещества разрушаются до простых неорганических – CO₂ и H₂O, нитратов, сульфатов, карбонатов и т.п. или участвуют в синтезе биомассы.

Процессы разрушения веществ протекают внутри клеток микроорганизмов, где происходит непрерывный и очень сложный процесс химических превращений, представляющий строгую последовательность окислительно-восстановительных реакций с участием ферментов в качестве катализаторов (метаболизм).

Микроорганизмы способны окислять многие органические вещества, но с разной скоростью. Скорость биохимических реакций определяется структурой разрушаемого вещества и активностью ферментов, которая зависит от температуры, pH и присутствия в сточной воде других веществ.

К биологически легко окисляемым соединениям относятся алифатические спирты, альдегиды, сложные эфиры, карбоновые кислоты, углеводы и др. Трудно окисляются высшие спирты, жирные кислоты, нитросоединения и др. Некоторые соединения вообще не подвергается биохимическому окислению вследствие токсического действия на микроорганизмы – хлороформ, тетрахлорметан, гетероциклические соединения и др.

Биологические методы очистки сточных вод делятся на аэробные и анаэробные.

Аэробные методы основаны на использовании для окисления органических веществ аэробных микроорганизмов – таких, для жизнедеятельности которых необходимо наличие кислорода и температура 10-40 °С. Анаэробные методы очистки представляют собой процессы расщепления веществ без доступа кислорода в присутствии анаэробных микроорганизмов. Анаэробные методы применяют преимущественно для обезвреживания осадков сточных вод и называют брожением.

Аэробную очистку сточных вод осуществляют сообществами микро-организмов, которые культивируют как во взвешенном состоянии (активный ил), так и в закреплённом (биоплёнка). Активный ил культивируется в аэротенках, биоплёнка – в биофильтрах.

Аэробную биологическую очистку сточных вод можно проводить в естественных условиях (поля фильтрации, земледельческие поля орошения, биологические пруды) и в искусственных сооружениях (аэротенки, биофильтры).

Поля фильтрации и орошения представляют собой специально подготовленные земельные участки, на которые сбрасываются сточные воды, прошедшие предварительную механическую и и(или) физико-химическую очистку. Сточные воды фильтруются через слой почвы, оставляя в нём взвешенные и коллоидные частицы, которые вместе с почвенными микроорганизмами образуют биоплёнку. Образующаяся биоплёнка адсорбирует и поглощает растворённые в сточных водах органические вещества, разрушая их до простых минеральных соединений. Кроме микроорганизмов, в процессах разрушения веществ принимают участие воздух, солнце, корни растений.

Если земельные участки используются только для очистки сточных вод, то их называют полями фильтрации. Если на земельных участках одновременно с очисткой сточных вод происходит выращивание сельскохозяйственных культур (технических и кормовых), то их называют земледельческими полями орошения (ЗПО).

В биологических прудах очистка сточных вод происходит за счёт процессов самоочищения водной среды, а именно в результате комплексного воздействия водных микроорганизмов, водорослей, воздуха, солнца и донных отложений.

Биологические пруды представляют собой искусственно созданные неглубокие водоёмы, в которых создаются самые благоприятные условия для протекания процессов самоочищения: малая глубина, обеспечивающая прогрев и инсоляцию; высокая биомасса водорослей, насыщающих воду кислородом; обилие бактерий и простейших; насыщенность донных отложений червями, личинками насекомых, моллюсками и пр.

В аэротенках очистка сточных вод происходит посредством их смешивания с активным илом в условиях интенсивной аэрации.

Аэротенки представляют собой железобетонные резервуары (бассейны) прямоугольного сечения глубиной от 3 до 6 м, оборудованные устройствами для принудительной аэрации. Как правило, аэротенк разделён на 2 части: собственно аэротенк (75% от общего объёма аэротенка) и регенератор (25%). В собственно аэротенке протекает основной процесс биохимического окисления, в регенераторе осуществляется регенерация активного ила.

Процесс биохимического окисления веществ, протекающий в аэротенке, состоит из нескольких этапов:

1 – адсорбция и коагуляция активным илом взвешенных и коллоидных частиц;

2 – окисление микроорганизмами растворённых и адсорбированных активным илом органических соединений;

3 – доокисление трудноокисляемых веществ и нитрификация;

4 – регенерация активного ила.

В биофильтрах очистка сточных вод происходит за счёт их контакта с микроорганизмами биоплёнки. Биофильтры представляют собой аэрируемые негерметичные ёмкостные сооружения (резервуары) из кирпича, бетона или железобетона, заполненные крупнозернистыми материалами, через которые фильтруются сточные воды, поступающие сверху по всей площади фильтра. Просачиваясь сквозь загрузку биофильтра, сточные воды оставляют на её поверхности органические вещества, которые образуют биоплёнку, где растут и развиваются микроорганизмы. При контакте сточной воды с биоплёнкой происходит адсорбция загрязняющих воду веществ и их биохимическое окисление.

Анаэробные методы применяют для очистки очень концентрированных сточных вод, содержащих органические вещества, а также для переработки твёрдых отходов с высокой концентрацией органических веществ – стоков пищевых, целлюлозно- бумажных, текстильных, кожевенных и других производств, отходов животноводства и сельского хозяйства, канализационного ила и осадков промышленных сточных вод, прошедших аэробную биологическую очистку.

Процессы биохимического разрушения сложных органических веществ в анаэробных условиях при участии ферментов называются бродильными процессами или брожением. В зависимости от конечного продукта различают несколько видов брожения: пропионовокислое, маслянокислое, молочнокислое, спиртовое, ацетонобутиловое, метановое и др. Для очистки сточных вод используют метановое брожение.

Метановое брожение происходит при разрушении микроорганизмами органических масс, содержащих большое количество углеводов и белков. В результате образуется так называемый биогаз: смесь метана (CH₄) – 60-75%, углекислого газа (CO₂) – 20–35% и незначительного количества других газов – H₂S, N₂, O₂, H₂, CO.

Процесс метанового брожения условно протекает в 3 стадии:

1 – гидролиз и(или) гидратация органических соединений;

2 – распад сложных органических веществ до простых – жирных и карбоновых кислот, спиртов, альдегидов, кетонов;

3 – ферментация простых органических веществ с образованием метана, CO и CO₂, водорода, H₂O, сероводорода и т.п. и последующее взаимодействие продуктов предыдущих реакций между собой также с выделением метана.

Процессы метанового брожения осуществляются в специальных сооружениях, именуемых метантенками. Они представляют собой герметично закрытые (для обеспечения анаэробных условий) резервуары, оборудованные приспособлениями для ввода несброженного и отвода сброженного осадка, подогрева содержимого, отвода биогаза и устройствами для перемешивания. Образующийся в метантенках биогаз сжигают с получением тепла, которое используют для нагрева воды, отопления и т.п.

26. Твёрдые отходы и обращение с ними

Твёрдые отходы, образующиеся в результате хозяйственной деятельности человека, делятся на отходы производства и отходы потребления.

Отходами производства являются остатки исходного сырья, материалов, полуфабрикатов, образовавшиеся при производстве продукции или выполнении работ и полностью или частично утратившие исходные потребительские свойства. К отходам производства относятся также продукты переработки сырья, получение которых не являлось целью производственного процесса (побочные продукты).

Отходами потребления являются различного рода изделия и материалы, которые по тем или иным причинам непригодны для дальнейшего использования. Отходы потребления делятся на промышленные и коммунально-бытовые. К промышленным отходам потребления относятся, например, металлолом, выходящее из строя оборудование, изделия технического назначения из пластмасс, резины, стекла и т.д. К коммунально-бытовым отходам относятся пищевые отходы, изношенные изделия бытового назначения (одежда, обувь и т.п.), тара, бумага и т.д.

Обращение с отходами представляет собой деятельность, в процессе которой образуются отходы, а также производится сбор, использование, обезвреживание, транспортировка и размещение отходов.

Использование отходов включает применение отходов для производства товарной продукции (вторичные материальные ресурсы, ВМР), выполнения работ, оказания услуг, получения энергии (вторичные энергетические ресурсы, ВЭР).

Обезвреживание отходов заключается в обработке отходов с целью предотвращения вредного воздействия на здоровье человека и окружающую среду.

Размещение отходов включает хранение и захоронение отходов. Хранение отходов представляет собой комплекс работ, обеспечивающих содержание отходов на соответствующих объектах с целью их последующего захоронения, обезвреживания или использования. Захоронение отходов состоит в изоляции отходов, не подлежащих дальнейшему использованию, в специальных хранилищах, исключающих попадание вредных веществ в окружающую среду.

Отходы производства и потребления, применение которых в хозяйственной деятельности в настоящее время невозможно или экономически нецелесообразно, условно принято называть отбросами. Отбросы обезвреживают и(или) подвергают захоронению.

Полигоны твёрдых отходов представляют собой, попросту говоря, (городские) мусорные свалки. На каждую из таких свалок ежегодно выбрасывается несколько миллионов тонн твёрдых отходов.

На предварительном этапе переработки твёрдых коммунально-бытовых отходов (ТБО) производят отделение органической составляющей отходов от неорганической. Последнюю используют, добавляя в шихту сталеплавильных или стекольных печей, печей для выплавки вторичных металлов и т.д.

Для переработки органической составляющей ТБО применяют следующие методы:

1) сжигание в печах при высоких температурах с получением электроэнергии и тепла;

2) биологические способы превращения отходов в удобрения;

3) пиролиз.

При биологической обработке ТБО сначала измельчаются до определённой степени дисперсности, а затем смешиваются с водой для получения коллоидного раствора. Полученный раствор подаётся в аэротенк (биофильтр, биологический пруд), где происходит аэробное окисление полученной смеси. После этого смесь поступает в метантенк, где происходит её анаэробная обработка.

При компостировании ТБО сбраживаются в барабанных аппаратах или на воздухе в специальных штабелях при непрерывном ворошении. Разложение отходов продолжается до получения относительно стабильного материала, подобного гумусу.

Пиролиз ТБО проводится в закрытых реакторах и представляет собой процесс разложения при высокой температуре (несколько сотен °С) без доступа воздуха. В результате получается твёрдый осадок, а образующиеся газообразные и жидкие продукты сжигаются с целью получения тепла. Основным способом захоронения твёрдых отходов (главным образом, крупнотоннажных отходов промышленных производств) является их складирование в поверхностных хранилищах.

Существует несколько типов поверхностных хранилищ, основными из которых являются шламонакопители. Шламонакопители строят по одно- или многокаскадному принципу с созданием плотины, берегов и чаши хранилища. Шламонакопители снабжают противофильтрационными устройствами из глинистых, битумных и полимерных материалов в один или несколько слоёв.

Опасными отходами называют отходы, содержащие в своём составе вещества, которые обладают опасными свойствами (токсичность, радиоактивность, взрывчатость, пожароопасность, инфекционность и т.д.) и присутствуют в количестве, опасном для здоровья людей и окружающей природной среды.

Захоронение опасных отходов осуществляют следующим образом: заключают в металлические капсулы, помещают в кубы из отвердевшего жидкого стекла и размещают под землёй в геологических выработках. Иногда в контейнерах из материалов, устойчивых к действию морской воды, отходы опускают в глубокие впадины морского дна.

Большой объём твёрдых отходов, значительная часть которых содержит ценные компоненты, обуславливает необходимость их утилизации с целью возврата в производство.

Утилизируются как бытовые, так и промышленные отходы. Приведём некоторые примеры использования отходов химической промышленности в качестве ВМР.

При производстве фосфорсодержащих продуктов (фосфорной кислоты, двойного суперфосфата и пр.) в качестве отходов образуется фосфогипс, в составе которого присутствуют SO₃, CaO, P₂O₅, CaSO₄, соединения фтора, Mg, Si и редких металлов. Фосфогипс используют для мелиорации солонцовых почв, в производстве цемента, для получения серной кислоты, извести, сульфата аммония.

При получении серной кислоты из серного колчедана основным отходом является твёрдый порошок, называемый пиритным огарком, который содержит 58% Fe, 5% Cu, CaSO₄, небольшие количества серебра, золота и других компонентов. Пиритный огарок используют в цементной и стекольной промышленности, в производстве чугуна, минеральных пигментов (железного сурика, охры и др.), в производстве строительных материалов.

Проблемы переработки отходов с целью использования в качестве ВМР в настоящее время решаются недостаточно эффективно. Для расширения масштабов утилизации твёрдых отходов необходима разработка новых высокоэффективных химико-технологических процессов.

27. Понятие загрязнения.
Виды и источники загрязнения.

Основным и наиболее распространенным видом антропогенного воздействия на биосферу является загрязнение окружающей природной среды.

Загрязнение окружающей природной среды – это поступление в нее или возникновение в ней новых, нехарактерных для нее физических, химических, биологических или информационных агентов, оказывающих вредное воздействие на природные экосистемы и человека. Другими словами, загрязнение окружающей природной среды – это поступление в природную среду любых твердых, жидких и газообразных веществ, микроорганизмов или энергий в количествах, оказывающих вредное воздействие на здоровье человека, флору и фауну.

По происхождению загрязнение окружающей среды бывает естественным и антропогенным. Естественное загрязнение – это загрязнение, вызванное естественными (природными) причинами и катастрофами. К ним относятся извержения вулканов, пыльные бури, лесные и степные пожары, селевые потоки, наводнения, землетрясения, выветривание горных пород, ветровая и водная эрозия, массовое цветение растений, разложение живых организмов и т.п. Антропогенное загрязнение – это загрязнение, являющееся результатом хозяйственной деятельности человека.

Выделяют следующие основные виды загрязнений окружающей природной среды:

1. Физическое (параметрическое) загрязнение – загрязнение, связанное с изменением физических параметров среды. В зависимости от изменения того или иного параметра различают следующие виды физических загрязнений:

а) Тепловое загрязнение. Проявляется в повышении температуры среды. Источники – теплотрассы, промышленные выбросы теплой воды и дымовых газов и т.д.

б) Шумовое загрязнение. Проявляется в превышении естественного уровня шума и ненормальном изменении звуковых характеристик – периодичности, силы звука и т.п. Источники – работа транспорта, промышленных устройств, бытовых приборов, поведение людей и т.д.

в) Радиационное и радиоактивное загрязнения. Радиационное обусловлено действием ионизирующих излучений, радиоактивное – содержанием радиоактивных веществ. Проявляется в превышении естественного радиационного фона Земли (1-10 мЗв/год). Источники – разработка радиоактивных руд, ядерные взрывы (военные и в мирных целях), применение радионуклидов в различных отраслях хозяйства (медицина, энергетика и др.), ядерно-технические установки (подводные лодки и др.), аварии на атомных электростанциях и предприятиях, радиоактивные отходы.

г) Электромагнитное загрязнение. Обусловлено длительным воздействием электромагнитных полей. Проявляется нарушениями в тонких клеточных и молекулярных биологических структурах: повышении утомляемости, возникновении чувства апатии и др. Источники – высоковольтные линии электропередач, электроподстанции, антенны радио- и телепередающих станций, бытовая техника (микроволновые печи и др.), радиотелефоны, компьютеры и т.д.

2. Химическое (деструкционное) загрязнение – загрязнение, проявляющееся в увеличении количества химических компонентов в определенном объеме среды за рассматриваемый промежуток времени, а также проникновение в среду химических веществ, отсутствовавших в ней ранее, или в количествах, превышающих норму. Различают два вида химических загрязнений:

а) Минеральное загрязнение – загрязнение минеральными веществами.

б) Органическое загрязнение – загрязнение органическими веществами.

Количество загрязняющих биосферу химических веществ огромно и постоянно увеличивается по мере развития новых технологических процессов. “Приоритет” принадлежит следующим загрязняющим веществам: диоксиду серы, тяжелым металлам (свинцу, кадмию, ртути и др.), пестицидам, бенз(а)пирену, нефти и нефтепродуктам (углеводородам), оксиду и диоксиду углерода, оксидам азота, полимерным материалам (пластмассам). Источники химического загрязнения – химическая, нефтехимическая, металлургическая, горнодобывающая, пищевая и другие отрасли промышленности, энергетика (ТЭС), сельское хозяйство, транспорт, коммунально-бытовое хозяйство и т.д.

3. Биологическое загрязнение – привнесение в среду и размножение в ней нежелательных, в первую очередь – для человека, организмов (растений, животных, микроорганизмов), проникновение их в эксплуатируемые экосистемы и технологические устройства. Различают следующие виды биологических загрязнений:

а) Биотическое (биогенное) загрязнение. Проявляется в распространении нежелательных, с точки зрения людей, биогенных веществ (выделений, мертвых тел и др.) на территории или акватории, где они ранее не наблюдались.

б) Микробиологическое (микробное) загрязнение. Проявляется в появлении в среде необычно большого количества микроорганизмов.

Источники биологического загрязнения – мусорные свалки, несвоевременная уборка мусора, предприятия промышленного биосинтеза (производство биоконцентратов, кормового белка, антибиотиков, вакцин, ферментов и др.) и т.д.

По масштабам и распространению различают локальное, региональное и глобальное загрязнения окружающей среды. Локальное (местное) загрязнение – это загрязнение небольшой территории, как правило, вокруг промышленного предприятия, населенного пункта. Региональное загрязнение – это загрязнение, обнаруживающееся в пределах значительных пространств, но не охватывающее всю планету. Глобальное (фоново-биосферное) загрязнение – это загрязнение, обнаруживающееся в любой точке планеты независимо от расстояния от источника загрязнения.

В настоящее время антропогенному загрязнению подвергаются все компоненты биосферы (воздух, вода, почва).

Основными источниками загрязнения атмосферы являются предприятия черной и цветной металлургии, химическая и нефтехимическая промышленность, теплоэнергетика (ТЭС, АЭС, промышленные и городские котельные), промышленность строительных материалов, целлюлозно-бумажная и деревообрабатывающая промышленность, автотранспорт, сельское хозяйство. Главными загрязнителями атмосферного воздуха являются оксиды углерода, оксиды азота, SO₂ и твердые частицы (пыль, сажа, зола и др.). На их долю приходится 98% от общего объеме выбросов. В атмосферу поступает также множество других вредных веществ – углеводороды, бенз(а)пирен, аммиак, сероводород, хлор, фтор, озон, формальдегид, фенолы, тяжелые металлы, фреоны и т.д.

Основными источниками загрязнения гидросферы являются сточные воды предприятий черной и цветной металлургии, химической, нефтехимической, целлюлозно-бумажной и легкой промышленности, машиностроения, коммунально-бытового хозяйства, а также сточные воды судов (т.е. флота). Водоемы загрязняются тяжелыми металлами, нефтью и нефтепродуктами, пестицидами, солями, взвешенными частицами, фенолами, СПАВ и т.д., возникают тепловое, радиационное и другие загрязнения.

Основными источниками загрязнения литосферы являются сельское хозяйство, мелиорация, добыча полезных ископаемых, химическая, нефтехимическая, металлургическая и военная промышленность, энергетика, коммунально-бытовое хозяйство. Главными загрязнителями почвы являются пестициды, металлы, картон и бумага, пластмассы, золы, шлаки.

Дата добавления: 2014-11-06