Биохимические методы очистки сточных вод

Биохимический метод используется для очистки хозяйственно-бытовых и промышленных сточных вод (СВ) от растворенных органических и некоторых неорганических веществ (H₂S, сульфиды, аммиак, нитриты и др.). Процессоснован на способности микроорганизмов использовать эти вещества для питания в процессе жизнедеятельности – органические вещества для микроорганизмов являются источником углерода.

Основные показатели процесса.

БПК – биохимическая потребность в кислороде или количество кислорода, используемое при биохимических процессах окисления органических веществ (не включая процессы нитрификации) за определенный промежуток времени (2, 5, 8, 10, 20 сут) в мгО₂ на 1 мг вещества. (БПК₅ – БПК за 5 суток).

ХПК – химическая потребность в кислороде, т. е. количество кислорода, эквивалентное количеству расходуемого окислителя, необходимого для окисления всех восстановителей, содержащихся в воде, мгО₂/1 мг вещества.

При контакте с органическими веществами микроорганизмы частично разрушают их, превращая в воду, СО₂, нитрит- и сульфат-ионы. Другая часть вещества идет на образование биомассы – процесс биохимического окисления.

При сбросе СВ на биохимические очистные сооружения должны соблюдаться следующие требования:

- концентрации токсичных веществ должны быть не выше максимально установленных, не влияющих на процессы биохимического окисления (МК_б) и на работу очистных срооружений (МК_б.о.с.), или БПК/ХПК0,5;

- СВ не должны содержать ядовитые вещества и соли тяжелых металлов;

- неорганические вещества, не поддающиеся окислению, должны иметь концентрации максимально установленных (МК_б(Cu) – 0,5 мг/л; (Hg) – 0,02 мг/л; (Pb) – 0,1 мг/л и т. д.).

Биохимическиеметоды

		Анаэробные Без доступа О2

Состав активного ила и биопленки.

Активный ил (АИ) - живые организмы + твердый субстрат

Сообщество живых организмов (скопления и одиночные бактерии, простейшие, черви, плесневые грибы, дрожжи; редко – личинки насекомых, рачков, а также водоросли и др.) – биоценоз, представлен, в основном, 12 видами микроорганизмов и простейших.

Скопление бактерий в АИ окружены слизистым слоем (капсулами). Такие скопления называются зоогелями. Слизистые вещества содержат антибиотики, способные подавлять нитчатые бактерии. Бактерии, лишенные слизистого слоя, с меньшей скоростью окисляют загрязнения.

В АИ находятся организмы различных групп, их возникновение зависит от состава СВ, содержания в них О₂, температуры, рН, содержания солей и т. д.

По экологическим группам микроорганизмы (разрушают органические вещества) делятся:

1. аэробы

2. анаэробы

3. термофилы

4. мезофилы

5. галофилы

6. галофобы

Простейшие (органические вещества не разрушают, поддерживают баланс бактерий или питаются ими):

1. сардиковые

2. жгутиковые

3. реснитчатые

4. сосущие инфузории

При образовании АИ сначала появляются бактерии, затем простейшие.

АИ – буровато-желтые комочки и хлопья, размер – 3-150 мкм. Поверхность хлопьев 1200м²/1м³ ила (100 м²/1г сухого вещества). В 1м³ АИ – 2*10¹⁴ бактерий.

Биопленка растет на носителе биофильтра; имеет вид слизистых обрастаний размером 1-2мм и более. Цвет зависит от состава СВ – от светло-желтого до темно-коричневого.

Состав: бактерии, грибы, дрожжи и др., простейшие, коловратки, черви (разнообразнее, чем в АИ). Личинки комаров и мух, черви и клещи поедают АИ и биопленку, вызывая их рыхление, что способствует процессу очистки. Число микроорганизмов в биопленке меньше, чем в АИ, в 1м³ биопленки - 2*10¹² бактерий.

Закономерности распада органических веществ.

Органические вещества при помощи специфического белка – переносчика (он образует с органическими веществами растворимый комплекс) проходят через мембрану в клетку микроорганизма, комплекс разрушается, белок-переносчик включается в новый цикл переноса, а внутри клетки происходят превращения, заканчивающиеся окислением вещества с выделением энергии и синтезом новых веществ с затратой этой энергии.

Этот процесс непрерывен и очень сложен, протекают в строгой последовательности с большой скоростью множество реакций, что определяется ферментами (катализаторы биохимических реакций). Каждую реакцию катализирует определенный фермент, содержащийся в клетке.

Вещества, повышающие активность ферментов (активаторы): витамины, Са²⁺, Мg²⁺, Mn²⁺.

Ингибиторы: соли тяжелых металлов, синильная кислота, антибиотики.

Суммарные реакции биохимического окисления в аэробных условиях:

CxHyOzN +(x+y/4+z/3+3/4)O_{2 ферменты} xCO₂+(y-3)/2H₂O+NH₃+H (1)

CxHyOzN +NH₃+ O_{2 ферменты} C₅H₇NO₂+CO₂+H (2)

Реакция (1) – удовлетворение энергетических потребностей клетки

Реакция (2) – для синтеза клеточного вещества.

Если процесс вести дальше, то идет превращение клеточного вещества:

C₅H₇NO₂+5O_{2 ферменты} 5 CO₂+NH₃+2H₂O+H

NH₃+ O_{2 ферменты} HNO₂+ O_{2 ферменты} HNO₃

CxHyOzN – все органические вещества СВ

C₅H₇NO₂ – среднее соотношение основных элементов в клеточном веществе бактерий

H – энергия.

Живые организмы могут использовать только химически связанную энергию, универсальный ее переносчик в клетке – аденозитрифосфорная кислота (АТФ), образующаяся в ходе реакции с аденозиндифосфорной кислотой (АДФ):

АДФ+Н₃РО₄АТФ+Н₂О

Метаболизм некоторых веществ.

СН₄

СН₄ СН₃ОН НСНО НСООН СО₂

Нитрификация и денитрификация.

Нитрифицирующие бактерии окисляют азот аммонийных соединений сначала до NO₂^-NO₃^- - процесс нитрификации

NH₄+ O_{2 ферменты} HNO₂+ O_{2 ферменты} HNO₃

Денитрифицирующие бактерии отщепляют связанный кислород от нитритов и нитратов и вновь расходуют его на окисление органических веществ – процесс денитрификации.

NH₂OH NH₃ (редко)

NO₃^- NO₂^- NO

N₂O N₂

Окисление серосодержащих веществ.

Сера, H₂S, тиосульфаты, политионаты и др. соединения серные бактерии окисляют до H₂SO₄ и сульфатов.

Процесс интенсифицируется в присутствии:N, P, K, небольшого количества Fe, Mg, Zn, B, Mn.

Окисление Fe и Mn.

Железобактерии получают энергию, окисляя Fe²⁺ до Fe³⁺

4FeCO₃+O₂+6H₂O 4Fe(OH)₃+4CO₂+H

Mn²⁺ в Mn⁴⁺

Mn²⁺+1/2 O₂+2OH^- MnO₂+H₂O

Аэробная очистка:

-в природных условиях

-в искусственных сооружениях

В природных условиях:

-на полях орошения

-на полях фильтрации

-в биологических прудах

Поля орошения (ПО) – специально подготовленные земельные участки, используемые для очищения СВ и агрокультурных целей. Очистка СВ идет под действием почвенной микрофлоры, солнца, воздуха и под влиянием жизнедеятельности растений.

В почве ПО находятся бактерии, дрожжи, грибы, водоросли, простейшие и беспозвоночные животные (их количество зависит от времени года).

Поля фильтрации – используются только для биологической очистки СВ без выращивания на них сельскохозяйственных культур.

Преимущества очистки в природных условиях:

-снижаются капитальные и эксплуатационные затраты

-исключается сброс стоков за пределы орошаемой площади

-обеспечивается получение высоких и устойчивых урожаев с/х растений

-вовлекаются в с/х оборот малопродуктивные земли.

Поля орошения лучше устраивать на песчаных, суглинистых и черноземных почвах. Грунтовые воды должны быть не выше 1,25 м от поверхности. Если грунтовые воды залегают выше этого уровня, то необходимо устраивать дренаж.

Варианты естественной биохимической очистки СВ см. на рис. 50.

Биологические пруды – каскад прудов, состоящих из 3 – 5 ступеней, через которые с небольшой скоростью протекает осветленная или биологически очищенная СВ.

Пруды предназначены для биологической очистки и доочистки СВ в комплексе с другими очистными сооружениями. Пруды бывают с естественной и искусственной аэрацией.

Бактерии используют для окисления кислород, выделяемый водорослями в процессе фотосинтеза, а также О₂ из воздуха. Водоросли потребляют СО₂, фосфаты и аммонийный азот, выделяющиеся при биохимическом разложении органических веществ. Tемпература, при которой происходят процессы очистки в прудах 6⁰С, зимой пруды не работают.

Для искусственной аэрации используют компрессоры низкого давления, при этом происходит перемешивание воды.

Очистка в искусственных условиях:

-в аэротенках

-в биофильтрах

Очистка в аэротенках:

Аэротенки – железобетонные аэрируемые резервуары. Процесс очистки в аэротенке происходит по мере протекания через него аэрируемой смеси сточной воды и активного ила.

Аэрация нужна для насыщения воды О₂ и поддержания ила во взвешенном состоянии.

Биохимические процессы в аэротенке:

а) адсорбция поверхностью активного ила органических веществ и минерализация легко окисляющихся веществ при интенсивном потреблении кислорода;

б) доокисление медленно окисляющихся органических веществ, регенерация активного ила (кислород при этом потребляется медленнее).

Перед аэротенками СВ должны содержать не более 150 мг/л взвешенных веществ и не более 25 мг/л нефтепродуктов, 6⁰Сt30⁰С,рН = 6,5-9.

Аэротенк состоит из регенератора (25% от объема) и собственно аэротенка.

После контактирования СВ с илом поступает во вторичный отстойник, где ил отделяется от воды. Большую его часть возвращают в аэротенк, а избыток – в преаэратор.

Аэротенк – открытый бассейн с устройством принудительной аэрации (глубина до 2 – 5 м).

Аэротенки классифицируют:

1)по гидродинамическому режиму

-аэротенк-вытеснитель

-аэротенк-смеситель

-аэротенк промежуточного типа

2)по способу регенерации АИ

-с отдельной регенерацией

-без отдельной регенерации

3) по нагрузке на АИ

-высоконагружаемые (для неполной очистки)

-обычные (низконагружаемые с продленной аэрацией)

4) по количеству ступеней

5) по режима ввода СВ

-проточные

-полупроточные

-с переменным рабочим уровнем и контактные

6) по конструктивным признакам.

АИ

СВ

СВ

иловая смесь

АИ

а)

иловая смесь

б)

СВ

АИ иловая смесь

в)

Рис. Аэротенки с различной структурой потоков СВ и возвратного активного ила:

а) аэротенк-вытеснитель

б) аэротенк-смеситель

в) аэротенк с рассредоточенной подачей СВ

а) используют для малоконцентрированных вод (до 300мг/л по БПКполн)

б) для концентрированных вод с БПКполн до 1000мг/л

Одноступенчатые схемы без регенерации ила используют при БПКполн150 мг/л, с регенерацией >150 мг/л и при наличие вредных производственных примесей.

Двухступенчатые схемы – для очистки высококонцентрированных СВ.

Аэрация.

Методы: а) пневмотический

б) механический

в) пневмомеханический

а) сжатый воздух воздуходувной подают через пористые керамические плиты (фильтросы, пористые и перфорированные трубы)

б) перемешивание жидкости различными устойствами, обеспечивающее дробление струй воздуха. Вблизи этих устройств возникают пузырьки газа, при помощи которого О₂ переходит в СВ

в) сжатый воздух поступает через аэрационное кольцо с большими отверстиями и разбивается на мелкие пузырьки. Используют, когда необходимо интенсивное перемешивание и высокая окислительная мощность.

Продолжительность аэрации:

[а(1-S_л)T]

где и - БПКполн поступающей на очистку и очищенной воды, мгО₂/л

а – доза ила, г/л

Sл – зольность ила в долях единицы

Т - средняя расчетная скорость окисления мг БПКполг/г беззольного вещества ила в час.

Разные конструкции аэротенков (см. рис. 51).

Для интенсификации процесса биохимической очистки СВ перед аэротенком можно обрабатывать окислителями (О₃) для снижения ХПК.

Есть схемы, где для отделения активного ила используют не отстойники, а флотаторы.

Использование флотатора позволяет повысить концентрацию активного ила в аэротенке до 10 – 12 г/л и увеличить его производительность в 2 – 3 раза.

Биофильтры.

Биофильтры – это сооружения, в корпусе которых размещается кусковая насадка (загрузка) и предусмотрены распределительные устройства для СВ.

СВ фильтруются через слой загрузки, покрытый пленкой микроорганизмов, которые окисляют органические вещества, используя их как источник питания и энергии.

Из СВ удаляются органические вещества, а масса биопленки повышается. Отработанная (омертвевшая) биопленка смывается протекающей СВ и выносится из биофильтра.

Загрузка: материалы с высокой пористостью, малой плотностью и высокой удельной поверхностью:

-щебень;

-гравий;

-шлак;

-керамзит;

-керамические и пластмассовые кольца;

-кубы, шары, цилиндры, шестигранные блоки;

-металлические и пластмассовые сетки, скрученные в рулоны.

Биофильтры:

а) – с полной биологической очисткой;

- с неполной биологической очисткой;

б) – с естественной подачей воздуха;

- с искусственной подачей воздуха;

в) – с рециркуляцией СВ;

- без рециркуляции СВ;

г) – одноступенчатые;

- двухступенчатые;

д) – капельные;

- высоконагружаемые

Схемы установок для очистки СВ биофильтрами (рис. 52)

АИ

СВ

Очищенная вода

а)

СВ очищенная

вода

б)

Рис.52 Схемы установок для очистки СВ биофильтрами

а) – одноступенчатая

б) – двухступенчатая

1 – первичные отстойники

2,4 – биофильтры I и II ступеней

3 – вторичные отстойники

5 – третичные отстойники.

Биопленка выполняет те же функции, что и активный ил: адсорбируют и перерабатывают биологические вещества. Окислительная мощность биофильтров ниже мощности аэротенков.

На эффективность очистки СВ влияют:

- БПК очищенной воды

- природа органических загрязнений

- скорость окисления

- интенсивность дыхания микроорганизмов

- масса веществ, адсорбируемых пленкой

- толщина биопленки

- состав обитающих в биопленке микроорганизмов

- интенсивность аэрации

- площадь и высота биофильтра

- характеристика загрузки (размер кусков, пористость, удельная поверхность)

- физические свойства СВ (температура, гидравлическая нагрузка, интенсивность рециркуляции, равномерность распределения СВ по сечению загрузки, степень смачиваемости биопленки).

Двухъярусные биофильтры применяют, когда для достижения высокой степени очистки нельзя увеличить высоту биофильтров.

Биофильтры с капельной фильтрацией обеспечивает полную очистку, но имеют низкую производительность (0,5 – 3 м³/м² сутки). БПК очищаемой воды 200мг О₂/л.

Высоконагружаемые биофильтры – производительность 10 – 30 м³/м² сутки, но не обеспечивает полную биологическую очистку. Используют аэрацию (16 м³ воздуха/1 м³ СВ). при БПК₂₀ > 300мг/л – рециркуляция очищенной воды.

Башенные биофильтры – производительность до 5000 м³/сутки.

Биотенк-биофильтр – корпус с расположенными в шахматном порядке элементами загрузки, которую представляют собой полуцилиндры диаметром 80мм. СВ поступает сверху, наполняя элементы загрузки, и через края стекает вниз. На наружных поверхностях элементов образуется биопленка, а в элементах – биомасса, похожая на активный ил. Насыщение воды О₂ происходит при движении жидкости.

Аппараты с псевдоожиженным слоем.

Колонна с псевдоожиженным слоем зернистого материала (песка), на поверхности которого культивируются микроорганизмы. СВ предварительно насыщают О₂ и подают в колонку снизу вверх со скоростью 25 – 60 м/час.

Поверхность загрузки – 3200 м²/м³ (в 20 раз больше, чем в аэротенках, в 40 раз больше, чем в биофильтре).

Процессы протекают очень быстро: БПК СВ снижается на 85 – 90% за 15 минут (в аэротанке – за 6 – 8 часов).

Окситенки.

Биохимическая очистка СВ с применением вместо воздуха технического кислорода – «биоосаждение» осуществляется в окситенках.

Использование О₂ вместо воздуха позволяет:

1. повысить эффективность использования О₂ с 8 – 9 до 90 - 95%
2. повысить окислительную мощность по сравнению с аэротенками в 5-6 раз
3. снизить скорость перемешивания СВ (это улучшает осаждение ила, т. к. не разрушаются крупные хлопья)
4. улучшить бактериальный состав активного ила (при высоких концентрациях О₂ не развиваются ниточные бактерии)
5. повышается содержание О₂ в очищенной воде, что способствует ее дальнейшей доочистке
6. избежать неприятных запахов, т. к. окситенки – закрытые герметичные аппараты
7. капитальные затраты ниже (в случае, если О₂ – отход производства)

Конструкции окситенков:

1. комбинированные (реакторы-смесители)

2. секционные окситенки – вытеснители с отдельным вторичным отстойником.

кислород

циркулирующий

ил

СВ иловая смесь

Рис. 53 Секционный окситенк: 1 – корпус, 2 – секции, 3 – перегородка, 4 – механические аэраторы.

Анаэробные методы биологической очистки.

Используют для сбраживания осадков, образующихся при биохимической очистки СВ, а также как I стадию очистки очень концентрированных промышленных СВ (БПКполн =4-5 г/л), содержащие органические вещества, которые разрушаются анаэробными бактериями в процессах брожения.

Виды брожения: спиртовое, пропионовокислое, молочнокислое, метановое и т. д.

Для очистки СВ используют метановое брожение.

Основная реакция:

СО₂+4Н₂А СН₄+4А+2Н₂О

Н₂А – органическое вещество, содержащее Н

В сульфатсодержащих водах:

5АН₂+SО₄^2- 5А+Н₂S+4Н₂О

Денитрификация:

6АН₂+2nО₃^- 6А+6Н₂О+n₂ (nО₃)

Брожение осуществляют в метантенках - аппарат, герметично закрытый, оборудованный приспособлениями для ввода несброженного и вывода сброженного осадка. (рис.54)

Перед подачей осадок должен быть обезвожен.

Параметры анаэробного сбраживания:

- температура, регулирующая интенсивность процесса

- доза загрузка осадка

- степень перемешивания.

Сбраживание в мезофильных (30 –35⁰С) и термофильных (50 - 55⁰С) условиях.

Степень распада органических веществ 40%.

Степень распада органических веществ может повыситься за счет поддержания:

1. высокой температуры
2. концентрации беззольного вещества > 15г/л
3. интенсивного перемешивания
4. рН=6,8-7,2

снижает:

1. присутствие солей тяжелых металлов
2. избыток nН₄
3. присутствие сульфидов и некоторых др.

Брожение ведут в 2 стадии, при этом часть осадка из второго метантенка возвращают в первый, в первом – хорошее перемешивание.

Выделяющийся газ: 63 – 65% СН₄, 32 - 34% СО₂, теплотворная способность 23 МДж/кг снижают в топках паровых котловиспользуют для нагрева осадков в метантенках и для других целей.

Дата добавления: 2014-01-07