Биологическая очистка сточных вод

     Реферат по КЦП на тему: Биологическая  очистка сточных  вод

     В сточных водах содержится сложная  смесь твердых и растворенных веществ, которые присутствуют в  очень малых концентрациях. На очистных станциях концентрации всех этих веществ  снижают до приемлемого уровня или  химически трансформируют вредные  вещества в безопасные соединения. Схема очистной станции зависит  от степени загрязненности и количества обрабатываемых стоков, а также от экономических и экологических  соображений. Большая часть водоочистных станций, имеет много общего. Так  в операциях первичной обработки  удаляют наиболее легко отделяющиеся загрязнения, например крупные, легкоосаждающиеся  частицы, масляные пленки и другие «легкие» компоненты. Суспендированные твердые  частицы и растворимые компоненты отделяют в процессе вторичной обработки. Во многих случаях загрязняющие вещества имеют органическую природу; в таких  случаях обычно используют биологическое  окисление. Цель третичной обработки  заключается в полном или частичном  отделении всех оставшихся примесей. На этой стадии используются такие  физико-химические методы, как электродиализ, обратный осмос, фильтрование через  толстый слой и адсорбция.

     В процессе первичной обработки отделяют влажные концентрированные твердые  вещества, называемые илом; при вторичной  обработке образуется активный клеточный  ил. В этом процессе существует взаимосвязь  между утилизацией субстрата  и образованием биомассы. Хотя процессы вторичной биологической обработки  с участием множества видов микроорганизмов  очень эффективны при деградации разбавленных смесей органических отходов, при расчётах следует учитывать, что при этом образуется, и биомасса. Таким путем очень мелкие нерастворимые  частицы и растворенные компоненты жидких отходов частично превращаются в ил, который легче поддается  отделению, чем исходные загрязняющие вещества. Установки для переработки  ила являются важной составной частью станций по очистке сточных вод. Для уменьшения объема ила, образующегося  при очистке воды, широко применяется операция анаэробной переработки, при которой органические вещества подвергаются биологической деградации в анаэробных условиях.

     Но  на практике все три уровня очистки  сточных вод и переработки  ила используются не всегда. Иногда сточные воды спускают в природные  водоемы (ручьи, реки, пруды, озера и  океан) без обработки. В других случаях  применяют только первичную обработку. Например, для большинства городских  систем водоочистки в США та или  иная форма вторичной обработки  является обязательной, а третичная  обработка в настоящее время  применяется лишь изредка.

     Основные  характеристики сточных вод

     Природа и концентрация загрязняющих веществ  в сточных водах зависят от их источника. Существуют два основных вида сточных вод — промышленные и бытовые. Последние загрязнены главным образом уличным мусором, моющими средствами и экскрементами.

     Бытовые сточные воды обычно содержат более 99% воды, около 300 млн. -1 (мг/л) суспендированных твердых веществ, а также около 500 мг/л летучих веществ. Большая часть суспендированных твердых веществ имеет целлюлозную природу, а другие загрязняющие органические вещества включают жирные кислоты, углеводы и белки. Неприятный запах бытовых сточных вод обусловлен разложением белков в анаэробных условиях.

     Если  учесть происхождение бытовых сточных  вод, то не удивительно, что в них  содержатся различные виды почвенных  и кишечных микроорганизмов, в том  числе аэробные организмы, облигатные и факультативные анаэробы, бактерии, дрожжи, плесени и грибы. Поскольку  в бытовых сточных водах часто  присутствуют также патогенные организмы  и различные вирусы, чрезвычайно  важна полная изоляция источников и  трубопроводов для подачи питьевой воды от загрязнения сточными водами. Популяции микроорганизмов в  сточных водах служат постоянным смешанным посевным материалом для  процессов биологической очистки  и, кроме того, источником метаболической активности в стандартных методах определения степени загрязнения сточных вод.

     Наиболее  распространенным критерием концентрации загрязняющих веществ в бытовых  сточных водах является показатель биохимической потребности в  кислороде (ВПК), равный количеству растворенного  кислорода, поглощаемого единицей объема сточных вод за определенное время  при 20 °С. Продолжительность периода  инкубации обычно указывают в  виде подстрочного индекса; так, если ВПК  определяют по результатам инкубирования  в течение 5 суток (один из принятых периодов), то соответствующий показатель обозначают символом БПК 5 .

     Количество  растворенного кислорода, поглощаемого в ходе инкубации вплоть до полного  прекращения биологического окисления  органических веществ, называют предельной (или полной) ВПК (БПКп), Этот тест, разработанный  еще в 1898 г. Британской Королевской  комиссией по ликвидации отходов, должен был моделировать условия в водных потоках и обеспечивать относительно прямое определение одного из наиболее вредных и опасных последствий  сброса сточных вод — истощения  растворенного кислорода в водных бассейнах, куда сбрасываются отходы. Снижение концентрации растворенного  кислорода быстро приводит к гибели множества аэробных организмов, а  также животных; конечным результатом  истощения растворенного кислорода  будет грязная, неприятно пахнущая река, зараженная патогенными микроорганизмами.

     Другим  критерием потенциального снижения общей концентрации растворенного  кислорода в водоемах, в которые  поступают сточные воды, служит химическая потребность в кислороде (ХПК), равная числу миллиграммов кислорода, поглощаемого 1 литром пробы (сточных вод) из горячего подкисленного раствора бихромата  калия. В общем случае химическому  окислению подвергается больше веществ, чем биологической деградации, и, следовательно, величина ХПК должна быть больше величины БПК для одного и того же образца. Измерение ХПК  связано с возможной степенью загрязнения естественных водоемов сточными водами не столь непосредственно, как определение БПК; с другой стороны, ХПК можно определить с помощью доступной простой аппаратуры за 2 ч, а с помощью сложных приборов — за несколько минут. БПК и ХПК являются общими и самыми грубыми индикаторами состава сточных вод. Тем не менее они дают полезную информацию о степени опасности, которую представляют сточные воды для окружающей среды. Другим преимуществом показателей БПК и ХПК является возможность их определения с минимальным количеством несложной аппаратуры, причем выполнение соответствующих анализов требует лишь кратковременного обучения персонала.

     Чтобы охарактеризовать качество воды, часто  применяют и другие параметры, в  том числе концентрации фосфорсодержащих веществ (общего фосфора), азотсодержащих веществ (общего азота) и суспендированных нерастворимых веществ. В таблице 1 приведены характерные параметры  потоков, поступающих на станцию  очистки бытовых сточных вод, и очищенной воды. В этой таблице  не указаны некоторые важные загрязняющие вещества, в первую очередь соли тяжелых металлов и токсичные  органические вещества, например пестициды, которые часто присутствуют в  очень малых, но способных принести большой вред концентрациях.

     Таблица 1. - Некоторые параметры, характеризующие качество воды (содержание азота и фосфора в воде после очистки проверяется не всегда)

     Состав  промышленных сточных вод определяется их происхождением (таблица 2). Стоки  промышленных предприятий часто  загрязнены в гораздо большей степени, чем бытовые сточные воды. В стоках промышленных предприятий, связанных с переработкой материалов углеводородной природы, часто содержатся и ядовитые вещества, например формальдегид, аммиак или цианиды. Здесь возникают две взаимосвязанные проблемы: во-первых, эти стоки чрезвычайно опасны для живых организмов в водоемах, куда они сбрасываются, во-вторых, они могут убивать микроорганизмы, участвующие в аэробных и анаэробных процессах переработки отходов. Эффективные и достаточно экономичные методы обезвреживания подобных токсичных веществ пока еще не разработаны.

      Таблица 2. - Сравнительная степень загрязненности стоков промышленных предприятий 

     Процессы  с участием активного ила

     В процессах с участием активного  ила основным типом оборудования является проточный аэрируемый биологический  реактор. Как показано на рис. 1, этот аэробный реактор (аэротенк) связан с  отстойником, в котором вода осветляется. Часть ила, собирающегося в отстойнике, обычно вновь поступает в биологический  реактор, в результате чего обеспечивается постоянная инокуляция илом. Рециркуляция увеличивает среднее время пребывания ила в системе, давая возможность  присутствующим в нем микроорганизмам  адаптироваться к имеющимся питательным  веществам. Ил должен оставаться в аэробном биореакторе достаточно долго и  для того, чтобы окислились все  адсорбированные органические вещества.  
Рис. 1 Схема очистки воды с участием активного ила.

     Чтобы понять основные механизмы утилизации субстрата в этом биореакторе, необходимо сначала изучить природу и  морфологию смешанной культуры микроорганизмов, живущих в аэрируемом реакторе. Одним  из наиболее типичных для активного  ила организмов является бактерия Zoogloea ramigera. Возможно, наиболее важной характеристикой  как этого организма, так и  многих других видов, существующих в  активном иле, является способность  синтезировать и секретировать  в среду полисахаридный гель. Именно наличие геля обусловливает агрегацию  микроорганизмов и образование  хлопьевидных скоплений (флокул), называемых активным илом (рис. 2).

     Рис. 2.- Микрофотография некоторых микроорганизмов активного ила.

     Активный  ил характеризуется высоким сродством  к суспендированным твердым веществам, включая коллоидальные частицы. Именно это обстоятельство служит причиной того, что первой стадией разрушения суспендированных твердых частиц в  сточных водах является их присоединение  к флокулам. Затем, способные к  биодеградации компоненты адсорбированных  частиц претерпевают окисление организмами  флокулы рис. 3). 

      
 
          Рис.3 - Предполагается, что первой быстрой стадией разрушения органических веществ в аэрируемом реакторе периодического действия с активным илом является физический процесс — адсорбция органических веществ флокулами ила, затем следует более медленная стадия биологического окисления.

     Для того чтобы выгоднее использовать высокую  адсорбционную способность активного  ила, разработан вариант обычного процесса, называемый контактной стабилизацией. Как показано на схеме (рис. 4), в этом процессе рециркулирующий осажденный ил подвергается повторной аэрации  прежде, чем он вступит в контакт  с отходами, поступающими в аэрируемый резервуар. В последнем органические вещества связываются с флокулами  практически исключительно за счет физических сил. Биологическая утилизация связанных органических веществ  происходит в основном в процессе повторной аэрации рециркулирующего ила; одновременно восстанавливается  адсорбционная способность флокул ила. 

     Другие  модификации процесса с участием активного ила отличаются от базового варианта главным образом способом осуществления контакта сточных  вод, ила и воздуха в аэрируемом реакторе. Как показано на приведенной  схеме, в процессе со ступенчатой  подачей стоков поступающий поток после разделения вводят в аэрируемый резервуар в различных точках. Эффект разделения потока можно оценить, воспользовавшись рассмотренными ранее методами анализа реакторов.

     Обычный аэротенк с активным илом представляет собой узкий длинный канал (коридор), который по своим характеристикам  приближается к трубчатому реактору с незначительной дисперсией. Распределение  поступающего потока подлине реактора изменяет характеристики системы таким  образом, что коридорный реактор  по своему поведению приближается к  емкостному реактору с полным перемешиванием.