Биохимическая очистка сточных вод
Биологическая очистка основана на способности микроорганизмов использовать в качестве источника питания загрязнения сточных вод. При этом часть органических веществ превращается в воду и диоксид углерода, часть идет на образование биомассы.
Особая роль бактерий обусловлена тем, что в состав их клеток входят те же биогенные элементы и микроэлементы, что и в состав клеток высших растений и животных, а также загрязнителей водоемов.
Основной процесс, протекающий при биологической очистке сточных вод, — это биологическое окисление. Данный метод является деструктивным, так как приводит к полному или частичному разрушению загрязнителей, изменению их состояния в водных растворах.
Очистку сточных вод биологическими методами проводят таким образом, что бактериальная масса работает в аэробных (т.е. в присутствии растворенного в воде кислорода) или анаэробных (в отсутствии растворенного в воде кислорода) условиях. В первом случае в сообществе микроорганизмов развиваются простейшие, во втором — одни бактерии.
Обе группы методов осуществляются или в термофильном (при температуре 30—40°С), или в мезофильном режиме (при температуре 20—30°С).
Процесс извлечения и потребления микроорганизмами органических примесей сточных вод состоит из трех стадий:
1) массопередача органического вещества и кислорода из жидкости к поверхности клетки;
2) диффузия вещества и кислорода через полупроницаемую мембрану клеток;
3) метаболизм диффундированных веществ, сопровождающийся приростом биомассы, выделением энергии, СО2 и т.п.
Исследование и практика показывают, что основная роль в процессах очистки принадлежит стадии метаболизма.
В процессе биологической очистки формируется биоценоз микроорганизмов (активный ил или биопленка), состав которого зависит от характера примесей сточных вод, исходного посевного материала и условий проведения процесса.
Активный ил является амфотерной коллоидной системой. Сухое вещество активного ила содержит 70—90 % органических и 10—30 % неорганических веществ. Кроме живых организмов в иле содержится субстрат — различные твердые остатки, к которым крепятся микроорганизмы.
Аэробная биологическая очистка
Механизм биологического окисления в аэробных условиях гетеротрофными бактериями может быть представлен следующей схемой:
Для аэробной очистки главным образом применяют аэротенки, окситенки, биологические пруды и биофильтры. До недавнего времени использовались также земледельческие поля орошения и фильтрации.
Аэротенки применяют для полной и неполной биологической очистки сточных вод. Они представляют собой достаточно объемные резервуары, с постепенно протекающей водой, в толще которой развиваются микроорганизмы, потребляющие субстрат.
По гидродинамическому режиму аэротенки подразделяют на три основных типа:
- аэротенки-вытеснители. Сточная вода и возвратный активный ил подаются сосредоточенно с одной из торцевых сторон аэротенка, а выпускаются так же сосредоточенно с другой торцевой стороны;
- аэротенки-смесители. Подача и выпуск сточной воды и ила осуществляются равномерно вдоль длинных сторон коридора аэротенка;
- аэротенки с рассредоточенным выпуском сточной жидкости. Сточная вода подводится в нескольких точках по длине аэротенка, а отводится сосредоточенно из его торцевой части; возвратный ил подается сосредоточенно в начало аэротенка.
1 - подача сточной воды; 2 - подача возвратного активного ила;
3 - аэротенк; 4 – выпуск иловой смеси
Рис.3.20. Схемы аэротенков с различной структурой сточной воды
I – аэрационная часть; II – отстойная часть
1 – подача сточных вод; 2 – воздуховод; 3 – выпуск очищенной сточной воды; 4 - эрлифт; 5 - трубопровод для отвода избыточного ила; 6 – иловый бункер
Рис.3.21. Схема аэротенка-отстойника
Эффект биологической очистки сточных вод обеспечивается постоянным перемешиванием смеси сточных вод с активным илом и непрерывной аэрацией на всем протяжении аэротенка. Кислород может подаваться воздухонагнетателями, механическими или струйными аэраторами.
Окситенк — это сооружение биологической очистки, в котором вместо воздуха используется технический кислород или воздух, обогащенный кислородом. Окситенк представляет собой герметически закрытый резервуар, в который подается технический кислород.
1 - резервуар; 2 - полупогружная перегородка; 3 - корпус зоны реакции; 4 - кислородопровод; 5 - механический аэратор; 6 - стояк сброса газа; 7- привод илоскреба; 8 -кислородный датчик; 9 - зона илоотделения; 10 - решетка илоскреба; 11 - водослив водосборного лотка; 12 - донная циркуляционная щель; 13 - подводящий дюкер; 14 -циркуляционные окна
Рис.3.22. Схема окситенка
Биофильтры.
В биофильтрах биоразлагаемые органические вещества жидких отходов сорбируются и окисляются также в аэробных условиях популяций гетеротрофных бактерий, образующих биологическую пленку на поверхности насадки или загрузочного материала. Для орошения насадки вода с загрязнениями периодически или непрерывно подается в верхнюю часть сооружения через неподвижные разбрызгиватели (сплинклеры) или реактивные вращающиеся водораспределители.
Биофильтры могут работать на полную и неполную биологическую очистку и классифицируются по различным признакам, основным из которых является конструктивная особенность загрузочного материала: объемная загрузка (гравий, шлак, керамзит, щебень) и плоскостная загрузка (пластмассы, асбестоцемент, керамика, металл).
1 - ороситель; 2 - трубопровод для подачи воды на очистку; 3 – блоки насадки; 4 – отвод очищенного стока; 5 – ввод воздуха,
а – секция биофильтра, б – пластмассовая насадка
Рис.3.23. Схема биофильтра
Сооружения почвенной очистки и биологические пруды. К естественным методам биологической очистки относятся почвенные методы очистки сточных вод и их очистка в биологических прудах. Очистка при этом происходит под действием почвенной микрофлоры, солнца, воздуха и жизнедеятельности растений.
Поля фильтрации. При фильтровании сточной воды через слой почвы в ней адсорбируются взвешенные и коллоидные вещества, которые со временем образуют в порах почвы микробиологическую пленку. Эта пленка адсорбирует и окисляет задержанные органические вещества, превращая их в минеральные соединения.
Биопруды представляют собой искусственно созданные водоемы. Их используют для биологической очистки и глубокой очистки (доочистки) городских, производственных и поверхностных сточных вод. Переработка органических и ряда других примесей обеспечивается анаэробным разложением осадка в придонной зоне и окислением растворенных и коллоидных органических веществ при аэробном метаболизме бактерий в средней части объема воды (рис.3.24). Продукты этих процессов утилизируются водорослями, растущими у поверхности и вырабатывающими кислород для обеспечения аэробной деструкции органических веществ.
I – воздух; II – зона роста растений; III – зона аэробной переработки растворимых и коллоидных органических примесей; IV – ил (зона анаэробного разложения)
Рис.3.24. Схема биохимического взаимодействия в окислительном пруду
Анаэробная биологическая очистка
Анаэробная очистка — это анаэробный (в отсутствии кислорода) двухстадийный процесс биохимического превращения органических загрязнений сточных вод в метан и диоксид углерода. На первой стадии под действием бактерий органические вещества сбраживаются до простых органических кислот, на второй стадии эти кислоты уже служат источником питания метанообразующих бактерий.
В зависимости от конечного вида продукта различают спиртовое, пропионовокислое, молочнокислое, метановое брожение и др. Конечными продуктами брожения являются спирты, кислоты, ацетон, газы брожения (СO2, Н2, СН4).
Метановые бактерии очень чувствительны к колебаниям внешних факторов. Это обстоятельство обусловливает меньшую гибкость и устойчивость анаэробного процесса, в сравнении с аэробным, и требует строгого контроля и регулировки входных параметров стоков.
Анаэробные аппараты сложнее по конструкции, чем аэротенки, и более затратные при строительстве, однако дают больший эффект очистки по химической потребности кислорода (ХПК)
Обычно анаэробное оборудование применяют для сбраживания осадков первичных отстойников и избыточного активного ила аэробных биохимических систем очистки бытовых стоков и их смесей с промстоками. Используются такие системы и для переработки промышленных и сельскохозяйственных отходов с высоким содержанием твердых веществ.
Метантенк — устройство для анаэробного брожения жидких органических отходов с получением метана, работающее по принципу реактора с полным перемешиванием.
Различают метантенки открытого и закрытого типов. В сооружении с неподвижным жестким перекрытием (рис. 5.26) уровень бродящей массы поддерживается выше основания горловины, так как в этом случае зеркало массы мало, велика интенсивность отвода газови не образуется корка. Для ускорения процесса массу перемешивают и подогревают до 30—40°С (при мезофильном сбраживании) острым паром низких параметров (0,2—0,46 МПа). Пар подают через инжектор, рабочей жидкостью в котором является сама сбраживаемая масса. Основная циркуляция в метантенке осуществляется пропеллерной мешалкой.
Рис.3.25. Схема метантенка