Биотехнология аэробной очистки сточных вод

Биотехнология аэробной очистки сточных вод

Потребности человечества в воде огромны и с каждым годом они возрастают. Такая тенденция подтверждается статистами всех стран без исключения. Большое количество воды потребляется химической, целлюлозно-бумажной промышленностью, а так же цветной металлургией.

В последнее время наблюдается дефицит пресной чистой воды. Нехватка воды стала уже мировой проблемой. Все эти факты заставляют искать пути и средства решения данной проблемы. Определяются и создаются методы рационального использования воды и водных ресурсов. К таким методам относят и методы предотвращения загрязнения воды, а также очистка сточных вод.

На данный момент существует множество методов и способов решения этой проблемы. К способам очистки стоков относят биологическую их очистку.

В данной работе мы акцентируем внимание на ээробных способах очистки стоков, который отличаются большей эффективность в сравнении с прочими подходами к очистке.

Все биологические методы очистки вод подразделяют по типу микроорганизмов, которые принимают участие в разложении органических соединений. Выделяют аэробные и анаэробные методы очистки сточных вод. Для работы аэробных очистных методов необходима подача кислорода. Это необходимо для обеспечения жизнедеятельности аэробных микроорганизмов, которые способствуют разложению веществ, загрязняющих сточные воды, с последующим образованием минеральных веществ.

При очистке сточных вод используются одноступенчатые и многоступенчатые системы очистки.

Очистка стоков - это стадийный процесс, в котором можно выделить 4 этапа:

1. Первичная переработка. На этом этапе происходит осветление вод от примесей, в частности механических. Используются песколовки, отстойники.

2. Разрушение, при участии анаэробных микроорганизмов, органических веществ.

3. Осуществляется химическое осаждение и разделение азота и фосфора. Этот этап необязательный.

4. На последнем этапе происходит переработка ила, который образуется на первом и втором этапах. Обычно это происходит с помощью анаэробного разложения.

При использовании аэробных методов очистки стоков имеются как преимущества, так и свои недостатки. Плюсами использования аэробных методов является высокая скорость очистки и использование веществ в малых концентрациях. Минусы использования таких методов – высокие энергозатраты на произведение аэрации и необходимость обработки и утилизации большого количества ила, который образуется вследствие применения аэробной очистки сточных вод.

Перед использованием биологической очистки стоков их подвергают для начала механической обработке, а после того как из сточных вод удалены болезнетворные бактерии подвергают химической обработке. Ее осуществляют хлорированием жидким хлором или хлорной известью.

Аэробные методы очистки классифицируются. Их подразделяют по типу резервуара, где проходит очистка воды.

Выделяют следующие резервуары:

1. Биофильтры;

2. Биологический пруд;

3. Поле фильтрации;

4. Аэротенки.

Очистка стоков с помощью биофильтров

Биофильтры – это такие сооружения, биохимическое окисление в которых происходит в процессе фильтрации через слой крупнозернистого материала. Такой слой материала называется загрузкой. В процессе биохимических реакций поверхность частиц загрузки покрывается плёнкой. Биологическая плёнка становится заселённой аэробными микроорганизмами.

В биофильтр сточные воды для очистки, направляются уже после их осветления в первичных отстойниках. Растворённые и нерастворённые вещества, которые проходят через биофильтр вступают в контакт с микроорганизмами находящимися на биоплёнке и окисляются. Во внутреннюю часть биофильтра, с помощью естественных путей или же принудительно, подается воздух непрерывно. На биофильтр подаваемое количество кислорода в расчете на 1 м кв. площади фильтра в сутки, называют окислительной мощностью. Для обеспечения хороших условий и более интенсивно протекающего окисления (в сравнении с естественными условиями) необходимы хорошие условия контакта микроорганизмов и органическими веществами, а также большая поверхность контакта и неограниченное количество кислорода поступающего в биофильтры.

Биофильтры состоят из 4 стен. В нижней части биофильтра расположено дренажное устройство. Оно представляет собой дырчатое дно. На него загружается фильтрующий материал. Под дренажным устройством располагается сплошное дно. По нему стекает жидкость, которая проходит через слой загрузки.

Биофильтры подразделяются в зависимости от пропускной способности на:

- высоконагружаемые (или высокопроизводительные);

- капельные (малонагружаемые).

В капельные биофильтры воды, для очистки, поступают очень малыми дозами. Это позволяет практически полностью очищать их от различных органических примесей. Но их очень малая производительность увеличивает необходимый объем биофильтра и при больших объемах стоков их строительство невыгодно.

Высокопроизводительные (высоконагружаемые) биофильтры пропускают гораздо больший объем стоков. Загружаются такие биофильтры более крупными частицами и между ними создается больший объем пор. Все это делает возможным усилить обмен воздуха, это в свою очередь приводит к большему насыщению жидкости кислородом и увеличению окислительной способности биофильтра. Вещества, которые трудно окисляются, вымываются из фильтра с частью биопленки. Для увеличения очистки стоков нужно разбавлять их чистой водой или необходимо их дважды пропускать их через биофильтр. Это снижает производительность фильтров. Если биофильтры находятся в неотапливаемом помещении, то необходим их подогрев.

Основными недостатками биофильтров является их большой объем. Вследствие чего возникает трудность регулирование происходящих биохимических процессов. Также невысока их надежность. Биофильтры могут работать не очень эффективно или почти выходить из строя из-за того, что распределение потоков воздуха и сточной жидкости не по всему объему биофильтра.

Очистка вод в биологических прудах

В данных объектах при очистке вод принимают участие все живые организмы, которые находятся в водоеме. Пруды являются земляными резервуарами, в которых стоки очищаются естественным путем. В биологических прудах происходят сходные процессы, как и при самоочищении водоемов. В биологических прудах все биохимические процессы осуществляются при температуре не ниже 7 градусов. С наступлением зимы биохимические процессы практически останавливаются. В более теплый период времени может наблюдаться цветение воды. В основном биологические пруды используют для дополнительной очистки сточных вод, которые уже ранее прошли биохимическую очистку. Биологические пруды используются так же для разведения рыбы. В таких водоемах имеется невысокое содержание примесей, главным образом органических, поступивших в биологические пруды, и невысокое протекание окислительных процессов происходящих в воде, а также достаточное количество растворенного кислорода, необходимое для жизни рыбы. В большей степени биологические пруды бывают проточными, в которых вода полностью заменяется через 8-10 суток.

Биологические пруды следует проектировать в форме прямоугольника. Размещать рекомендовано секциями, по четыре. Все это способствует лучшему их периодическому очищению. Биологические пруды следует располагать так, чтобы пода двигалась перпендикулярно ветру. Создание проточности и специализированных перегородок, используемых в биологических прудах, осуществляют хорошее обеспечение кислородом. В биологических прудах число взвешенных частиц уменьшается практически на 98 %, на 97 % снижается окисляемость, аммиак окисляется до нитратов. Это имеет большое значение для тех водоемов, в которые впоследствии сбрасываются воды из биологических прудов. Зимой в пруды запускают мальков рыбы. Недалеко от биологических прудов устраивают зимовальные пруды. Для того чтобы пруды не зарастали ряской в них разводят уток. В то время как другие биологические пруды специально разводят ряску, т. к. она очень хорошо очищает воду от различных примесей, таких как металлы и токсичные минеральные соли. Использование растений и животных для биологических прудов необходимо, потому что они повышают их рентабельность.

Поля фильтрации

Такие сооружения состоят из отдельных участков, или карт, которые ограничены земляными валиками. При производствах, где наблюдается нехватка площадей, эти участки имеют большие углубления. Наиболее пригодные почвами для полей фильтрации это песчаные, суглинистые, супесчаные и черноземные почвы. Около полей фильтрации не должны присутствовать грунтовые воды, которые служат источником водоснабжения. Такие поля имеют дренажную систему, по которым отфильтрованная вода поступает в реки или другие водоемы. Сточные воды, которые были очищены с помощью фильтрации, не нуждаются в дезинфекции.

Главным недостатком полей фильтрации для очистки сочных вод, является их сезонность использования. Т. к. промерзшая почва частично или полностью теряет способность к фильтрации. При этом сточная вода, которая поступают в поля фильтрации, намерзает, биохимическое окисление загрязнений практически останавливается и с приходом весны сточные воды поступают в водоемы в неочищенном виде. Еще один недостаток заключается в то, что со временем фильтрующая способность почв уменьшается из-за ее минерализации и возникает такая необходимость как сооружение новых полей фильтрации, а это недопустимо при недостатке площадей.

Очистка в азротенках

Аэротенки – это такие сооружения, в которых осуществляется насыщение кислородом сточных вод искусственным способом, с присутствием микроорганизмов. Вместе с микроорганизмами в аэротенках могут, также находится низшие растения и животные. Такой состав микроскопических организмов и оставшихся нерастворимых веществ образуют осадок в виде хлопьев. Такой осадок называется активный ил. Эффективность процесса очистки в аэротенках сточных вод зависит от нескольких параметров. К ним относятся физиологические качества и технологические свойства активного ила, а также зависит от аэрации. Большое значение имеет соотношение источников фосфора, азота и углерода в составе сточной воды.

Весь процесс очистки сточных вод в аэротенках можно разделить на три стадии.

В первую стадию очистки вод происходит поступление свежей сточной воды в аэротенк, затем активный ил адсорбирует загрязнения и производит разложение веществ, которые являются легкоокисляющимися. Это ведёт к потреблению большого количества кислорода. Такая первая стадия длится около 1-2 часов.

На второй стадии уже происходит разложение медленноокисляемых веществ. Активный ил восстанавливается за счёт разложения веществ, ранее адсорбированных на иле, и они восстанавливаются да его первоначального состояния. Активность ила также приходит в его начальное состояние. Скорость потребления кислорода на этой стадии гораздо меньше чем на первой.

Третья стадия включает в себя процесс нитрификации аммонийных соединений. Такой процесс протекает довольно интенсивно. На этой стадии увеличивается скорость потребления кислорода. Происходящий процесс нитрификации на этой стадии идёт под влиянием нитрифицирующих бактерий. Если рассматривать этот процесс с точки зрения микробиологии и биохимии, то этот процесс подразделяется на две стадии. В первую фазу процесс происходит окисление аммиака в нитриты. Этот процесс осуществляется с помощью действия бактерий рода Nitrosomonas. А во второй стадии нитриты превращаются в нитраты. На этой фазе действуют бактерии рода Nitrobacter. Первая фаза нитрификации происходит гораздо быстрее, чем вторая. Если запускаются процессы нитрификации, то это свидетельствует о том, что разложение органических веществ уже произошло. Процессы нитрификации очень важны для очистки сточных вод с точки зрения того, что этот процесс обогащает и накапливает связанный кислород. При нехватке кислорода в водоёме, куда происходит сброс сточных вод, микроорганизмы используют кислород нитратов, для окисления органических веществ. Таким образом, присутствие нитратов - это показатель очищенной сточной воды.

Такие процессы характерны для очистки сточных вод в стационарных условиях, т. е. для периодического процесса.

Более выгодно использовать непрерывный процесс. При таком процессе условия окисления постоянны. Они только зависят от скорости подачи сточной воды через аэротенк.

Азротенки, также могут служить для полной очистки сточных вод и широким диапазоном содержания органических веществ. Они могут производить очистку сточных вод даже пищевых и микробиологических производств. Однако такие сточные воды, которые являются высококонцентрированными, требуют дальнейшего совершенствования метода очистки. Для начала нужно усовершенствовать методы аэрации. Главной задачей является максимальное измельчение пузырьков воздуха. Обыкновенные трубы с отверстиями, т. е. барботеры, не могут обеспечить высокую степень диспергирования воздуха. Наиболее эффективными считаются фильтросные пластины, которые изготовлены из мелкопористого материала. Они обеспечивают хорошее диспергирование воздуха, но и имеют недостатки. К ним относятся трудность в монтировании, забиваются поры и возникают трудности регенерации. Поэтому вместо пластин используют тканевые аэраторы. У них нет таких недостатков. Но для них характерны недостатки другого плана, например быстрый износ ткани. При совершенствовании аэраторов стали использоваться трубы из пористого материала. Они удобны при монтаже, позволяют осуществлять секционную подачу воздуха. Создают облегчение равномерного распределения воздуха и улучшают аэрацию.

Все эти системы аэраторов требовательны в отношении высокого давления и затрачивают много электроэнергии. Более простую в этом отношении находят низконапорную аэрацию. Для нее применяют специальные вентиляторы, не требующие больших затрат электроэнергии. При этом в качестве аэрирующего материала применяют дырчатые трубы.

В процессе аэробной очистки сточных вод воздух необходим не только как источник кислорода, но он еще и способствует перемешиванию жидкостей. Это необходимо учитывать при выборе устройства, осуществляющих аэрацию. Преимуществами обладают механические аэраторы. При механическом осуществлении перемешивания воздух захватывается мешалкой. Кислород при этом растворяется в жидкости. Всё это способствует обеспечению контакта клеток микроорганизмов с кислородом и питательными веществами. Главным недостатком таких методов считают сложность их использования в аэротенках с большой емкостью.

Существенными плюсами обладает аэрация водным вакуумным насосом. В нем происходит довольно сильное перемешивание воздуха и сточной воды. Впоследствии, воздушно-водяная смесь подаётся в аэротенк.

Другой характерной особенностью очистки является необходимое отделение активного ила после окончания процесса окисления сточных вод. В стационарных условиях это осуществляют путём отстаивания содержимого аэротенка. Такой способ также малоэффективный. В действительности сточные воды, проходящие через аэротенк без каких-либо задерживающих устройств, выходят из него вместе с активным илом. Смесь ила с водой направляется затем из аэротенка в специальные резервуары, называемые вторичными отстойниками. Из этих отстойников очищенная вода сливается в водоем, а активный ил, который осел в процессе, возвращается в аэротенк для вторичного использования. Вторичные отстойники представляют собой устройства такого же типа, как и первичные отстойники, необходимые для предварительного отделения взвешенных частиц.

Конструкция аэротенков не сложная. Они представляют собой четырехугольные или круглые сосуды, внутри которых расположена система аэрации. Объем аэротенка зависит от количества очищаемых сточных вод и времени, нужного для полной очистки. Время аэрации сточных вод составляет 12 или 8 часов.

Размеры аэротенка (соотношение длинны, ширины и высоты) определяются строительными и другими нормами. Учитываются также и биохимические факторы, связанные с растворением кислорода в воде и циркуляцией активного ила.

В большинстве очистных устройств аэротенки находятся в комплексе со вторичными отстойниками. Можно сказать, что вторичные отстойники являются как бы продолжением аэротенков. При расчетах размеров вторичных отстойников учитывают то, что они содержат активный ил, который непрерывно возвращается в аэротенк. Учитываются также, что вместе с илом в аэротенк возвращается и некоторое количество воды.

Качество очистки стоков в аэротенках зависит от количества микроорганизмов, т. е. зависит от концентрации активного ила в очищаемой воде. В свою очередь качество активного ила в аэротенке зависит от работы вторичного отстойника. Время отстоя воды 1,5-2 часа. Качество очистки сточных вод зависит от объёма отстойника.

Существует системы, которые совмещают аэротенк и отстойник таким образом, что сточная вода непрерывно поступает в отстойник и снова возвращается в аэротенк с такой же скоростью. Существуют различия в режимах работы аэротенка и отстойника. Они заключаются в том, что в отстойнике не происходит аэрации. Это дает возможность активному илу перемещаться в нижнюю часть отстойника, откуда он сразу поступает в аэротенк. Такие сооружения применяют для неполной очистки высококонцентрированных сточных вод.

Активный ил, который был осажден в отстойниках, содержит не окисленные органические вещества запасные питательные вещества, накопленные вследствие избытка источников питания. Все это ведет к ускоренному старению клеток микроорганизмов и их активность снижается. Для поддержания жизнедеятельности и активности клеток необходима регенерация – освобождение клеток от запасных питательных веществ и продуктов обмена и возвращение их в начальное активное состояние. Для этого процесса активный ил в отдельном резервуаре подвергают аэрации при отсутствии или малом содержании питательных веществ. Одним из основных показателей аэротенка, которые характеризуют его работоспособность, является их окислительная мощность.

Для очистки сточных вод содержащих высокое количество примесей применяется двухступенчатая аэрация. На первой ступени в аэротенке происходит интенсивное, но неполное окисление веществ. На втором этапе происходит уже доочистка. Для каждого аэротенка при этом характерен свой режим работы. Для того, чтобы процесс очистки сточных вод был более интенсивным, их предварительно аэрируют в отдельной емкости. Эти емкости называются преазраторы. Тонкодиспергированные взвешенные примеси укрупняются и их процесс осаждения ускоряется. Предварительная аэрация составляет около 10-20 минут. Для совершенствования процесса осветления сточных вод в преаэраторах вводят активный ил. Эти сооружения называются биокоагуляторами.

В ходе процесса аэробного окисления органических веществ в аэротенке происходит прирост клеток микроорганизмов и увеличивается количество активного ила. За некоторое время активного ила становится гораздо больше, чем его может быть возвращено в аэротенк из отстойника. Появляется необходимость удалять так называемый избыточный ил. Избыточный активный ил целесообразно ликвидировать как ценный органический материал. Активный избыточный ил подвергают уже анаэробному окислению.

Одним из методов утилизации избыточного активного ила является аэробная минерализация. Она проходит в специальных аппаратах. Процесс минерализации можно регулировать так, что активный избыточный ил не будет образовываться вообще. Для этого продолжают аэрацию сточной жидкости в аэротенках в расчете на то, что избыток биомассы микроорганизмов будет разлагаться. Такой метод называется продленной аэрации. Его недостатком является то, что появляется мелкий, плохо оседающий ил. Все это ведет к уменьшению скорости его осаждения.

Заключение

Таким образом, очистка сточных вод – это обработка воды. Которая ставит перед собой цель разрушить или уничтожить вредные вещества. Обработка воды может производиться многочисленными методами, одним, из которых является биологическая очистка сточной воды. Биологические методы подразделяются на анаэробные и аэробные способы очистки сточных вод.

Аэробная очистка вод может проходить в биологических прудах, с помощью биофильтров и полей фильтрации. Еще сточные воды могут очищаться в аэротенках.

В биофильтрах воды проходят через слой, который представлен крупнозернистым материалом, данный слой покрыт тонкой пленкой, содержащий микроорганизмы. И с помощью такой пленки происходят процессы окисления.

В биологических прудах очистка сточных вод происходит с помощью всех организмов, которые находятся в этом водоеме. Поля фильтрации представляют собой участки, окруженные валиками. Однако они имеют множество недостатков.

Наибольшим выходом очищенных сточных вод обладают аэротенки. Такие сооружения можно использовать как при периодической очистке, так и при проточной. Аэротенки представляют собой огромные резервуары, состоящие из железобетона. Качество очищенной воды в аэротенках зависит от количества микроорганизмов, находящихся в них.

На данный момент использование аэротенков наиболее рациональный метод очистки сточных вод, т. к. они очищают воды в больших количествах, при этом, не затрачивая много времени.

Преимущества аэробной очистки стоков промышленных объектов очевидны. Они являются результатом кропотливого труда технологов, которые ежегодно находят все большее практическое применение.