Реферат: Биологическая очистка сточных вод

Биологическаяочистка сточных вод

Ещё вгородах древнего Египта, Греции и Рима существовали канализационные системы, покоторым отходы жизнедеятельности людей и животных транспортировались в водоёмы– реки, озера и моря. В Древнем Риме перед сбросом в Тибр канализационные стокинакапливались и выдерживались в накопительном пруде-отстойнике-клоаке (cloaca maxima). В Средние века этот опытбыл в значительной степени забыт, потом, экскременты людей и животных,выливались на городские улицы и удалялись эпизодически. Это являлось причиной загрязненияи заражения источников питьевой воды и приводило к возникновению эпидемийхолеры, тифа, амебной дизентерии и др. В начале 19 века в Англии был изобретентуалет с водяным смывом (water closet, WC). Возникла очевидная необходимость в обработке сточных вод ипредотвращения их попадания в источники питьевой воды. Сточные воды собирали ивыдерживали в больших емкостях, осадок использовали в качестве удобрений. Вначале двадцатого века были разработаны интенсивные системы очистки бытовыхсточных вод, включая поля орошения, где вода очищалась, фильтруясь через почву,струйные фильтры со щебневой и песчаной загрузкой, а также резервуары спринудительной аэрацией – аэротенки. Последние являются основным узломсовременных станций аэробной очистки городских сточных вод. Первоначальноосновной целью очистки стоков являлось их обеззараживание. Понимание важностикачественной очистки сточных вод для охраны природных водоемов пришло позже.Проблемой чистой воды является одной из актуальнейших проблем наступившеговека. Для сохранения мест забора питьевой воды чистыми необходима качественнаяочистка сточных вод, производство которых Украине достигает 500 литров в суткина душу городского населения. В настоящее время разработаны и развиваютсясовременные технологии очистки сточных вод. Наибольший интерес и перспективуимеют естественные и самые дешевые биологические методы очистки, представляющиесобой интенсификацию природных процессов разложения органических соединениймикроорганизмами в аэробных или анаэробных условиях.

Очисткасточных вод подразумевает практически полное биологическое разложениеорганических соединений в воде. По существующим нормам, содержание органическихвеществ в очищенной воде не должно превышать 10 мг/л.

Биохимическаяочистка основана на использовании закономерностей биохимического ифизиологического самоочищения рек. Этот процесс протекает благодаря способностинекоторых микроорганизмов разрушать органические и некоторые неорганическиесоединения (например, сульфиды и соли аммония), превращая их в безвредныесоединения. – продукты окисления – воду, двуокись углерода, нитрат и сульфаты.

Деградацияорганических веществ микроорганизмами в аэробных и анаэробных условияхосуществляется с разными энергетическими балансами суммарных реакций. При аэробномбиоокислении глюкозы 59% энергии, содержащейся в ней, расходуется на приростбиомассы и 41% составляет тепловые потери. Этим обусловлен активный ростаэробных микроорганизмов. Чем выше концентрация органических веществ в обрабатываемыхстоках, тем сильнее разогрев, выше скорость роста микробной биомассы инакопления избыточного активного ила. При анаэробной деградации глюкозы собразованием метана лишь 8% энергии расходуется на прирост биомассы, 3%составляют тепловые потери и 89% переходит в метан. Анаэробные микроорганизмырастут медленно и нуждаются в высокой концентрации субстрата.

Аэробныйпроцесс: С6Н12О6+6О2–>6СО2 +6Н2О+ микробная биомасса + тепло.

Анаэробныйпроцесс: С6Н12О6–>3СН4 +3СО2+ микробная биомасса + тепло.

Аэробный осуществляется бактериями при наличии в воде кислорода и являетсяосновным способом биоочистки. Существует несколько видов устройств,использующих аэробный принцип.

Вбиофильтрах сточные воды пропускаются через слой крупнозернистого материала,покрытого тонкой бактериальной плёнкой. Благодаря этой плёнке, служащейдействующим началом, быстро протекают процессы биологического окисления.

Вбиологических прудах в очистке сточных вод принимают участие все организмы,населяющие водоём.

Ваэротенках (огромных резервуарах из железобетона) очищающим началом служитактивный ил из различных микроорганизмов. Их развитию способствуют органическиевещества, поступающие со сточными водами, а так же искусственно создаваемыйизбыток кислорода. Ферменты, выделяемые микроорганизмами, минерализуюторганические загрязнения.

Биологическийметод даёт хорошие результаты при очистке коммунальных стоков. Он применяется ипри очистке стоков предприятий целлюлозно-бумажной, нефтеперерабатывающейпромышленности.

Аэробноемикробное сообщество представлено разными микроорганизмами, в основномбактериями, окисляющими различные органические вещества в большинстве случаенезависимо друг от друга, хотя окисление некоторых веществ осуществляется путемсоокисления (кометаболизм). Аэробное микробное сообщество активного ила системаэробной очистки воды представлено исключительным биоразнообразием. В последниегоды с помощью новых молекулярно-биологических методов, в частностиспецифических рРНК проб, в активном иле показано присутствие бактерий родов Paracoccus, Caulobacter, Hyphomicrobium, Nitrobacter, Acinetobacter, и т.д.

Считаетсячто к настоящему времени идентифицировано не более 5% видов микроорганизмов,участвующих в аэробной очистке воды. Следует отметить, что многие аэробныебактерии являются факультативными анаэробными. Они могут расти в отсутствиикислорода за счет других акцепторов электрона (анаэробное дыхание) или брожения(субстратное фосфорилирование). Продуктами их жизнедеятельности являютсяуглекислота, водород, органические кислоты и спирт.

Анаэробный осуществляется бактериями, не требующими кислорода и заключаютсяв сбраживании загрязняющих веществ в закрытых аппаратах без доступа воздуха –метатенках и может применяться для предварительной подготовки стоков, с большимсодержанием органических осадков.

Биологическойочистке сточных вод обычно предшествует механическая очистка. А следуют за нейхимические и физико-химические методы (хлорирование, электролиз, озонирование).

Анаэробнаядеградация органических веществ, при метаногенезе осуществляется какмногоступенчатый процесс, в котором необходимо участие по мере четырех группмикроорганизмов: гидролитиков, бродильщиков, ацетаногенов и метаногенов. Ванаэробном сообществе между микроорганизмами существуют тесные и сложныевзаимосвязи, имеющие аналоги в многоклеточных организмах, поскольку ввидусубстатной специфичности метагенов, их развитие невозможно без трофическойсвязи с бактериями предыдущих стадий. В свою очередь метановые археи, используявещества, продуцируемые первичными анаэробными, определяют скорость реакций,осуществляемых этими бактериями. Ключевая роль в анаэробной деградацииорганических веществ до метана играют метановые археи родов Methanosarcina, Methanosaeta(Methanothrix), Methanomicrobiumи другие. При их отсутствии или недостатке анаэробное разложениезаканчивается на стадии кислотогенного и ацетогенного брожений, что приводит кнакоплению летучих жирных кислот, в основном масляной, пропионовой и уксусной,снижению рН и остановке процесса.

Биоплато. Прогрессивным развитием методов естественной биологическойочистки являются биоинженерные сооружения типа биоплато. Для очистки идоочистки сточных вод населенных пунктов могут быть использованы конструкциитипа инфильтрационных и поверхностных биоплато.

Инфильтрационноебиоплато – инженерное сооружение, размещенное, как правило, в котлованеглубиной до 2 м, на дне которого устраивается противофильтрационный экраниз полиэтиленовой пленки. Поверх крана укладывается горизонтальный дренаж ислой щебня, песка, керамзита или другого фильтрующего материала. Поверхностьсооружения засаживается камышом, тростником, рогозом и другими местными видамивысшей водной растительности из расчета не менее 10–12 стеблей на 1 – 2 м.

Потехнологии биоплато в очистке воды принимает участие сообщества водных (наповерхности блока) и почвенных (в фильтрующем слое) микроорганизмов, высшаяводная растительность и сам фильтрующий слой.

/>

Очистныесооружения типа биоплато: А – инфильтрационное биоплато; Б – поверхностноебиоплато: 1 – подача воды на очистку; 2 – отстойник; 3 – осадок; 4 –распределительный трубопровод; 5 – противофильтрационный экран; 6 –растительный грунт; 7 – песок; 8 – щебень; 9 – дренаж; 10 – высшая воднаярастительность; 11 – каменная наброска; 12 – очищенная вода

Поверхностноебиоплато также размещается в котловане и имеет противофильтрационный экран.Роль дренажа выполняет каменная наброска, вместо фильтрующего слоя укладываетсягрунт котлована, поверхность которого засаживается высшей воднойрастительностью. Высшая водная растительность, кроме очистительной функции,обеспечивает повышенную транспирацию (испарение) очищаемой жидкости в летнийпериод примерно на 10-15%. Транспирационные свойства высшей водной растительностимогут быть использованы также для ускорения подсушивания иловых площадок,повышения пропускной способности и эффективности очистки полей фильтрации.

Очистныесооружения по технологии биоплато состоят, как правило, из нескольких блоков,располагаемых каскадом, причем блок поверхностного биоплато является концевым.В состав сооружения биоплато в качестве концевого может быть включен болотистыйучасток (естественное поверхностное биоплато) с наличием достаточных зарослейвысшей водной растительности. Начальным блоком сооружения является отстойник,где происходит удаление крупных включений и взвешенных веществ.

Потехнологии биоплато обеспечивается очистка хозяйственно-бытовых сточных вод поБПК до 5–10 мг/л, по взвешенным веществам – до 8–12 мг/л, причем наличиевзвешенных веществ в основном связано с выносом их из фильтрующего слоя.Значительно (на 40–70%) снижается содержание соединений азота и фосфора.Сооружения биоплато, удачно расположенные по рельефу местности, не требуютприменения электроэнергии, химикатов и обеспечивают надежную работу как влетний, так и в зимний период. Для очистки производственных сточных вод потехнологии биоплато требуется производить их предочистку в соответствии сособенностями их состава и свойств.

Необходимоотметить, что существующими методами очистить сточные воды полностью, на 100%не только технически невозможно, но и экономически нецелесообразно. Послеопределённой границы затраты на каждый дополнительный процент очищениявозрастают по экспоненте. Поэтому обычно поступают так – очищают воду доопределённой экономически обоснованной границы, затем разбавляют её чистойводой таким образом, чтобы содержание примесей не превышало определённыепредельно допустимые значения. Биопрепараты как средство для инициации иинтенсификации очистки сточных вод.

В настоящеевремя существует множество биопрепаратов, используемых для очистки сточных вод.Это консорциумы микроорганизмов, выделенные методом накопительных культуробычно из активного ила аэротенков городских сооружений очистки сточных вод.Они используются для очистки сточных вод местного значения, например в селах,дачных и коттеджных поселках, небольших поселках городского типа, мини – заводахи т.п. Биопрепараты, содержащие органическое число видов микроорганизмов, поспектру разлагаемых веществ уступают свежему активному илу. Однако, онисодержат быстро растущие штаммы, которые инициируют процессы разложенияорганических загрязнений. В не стерильном процессе развиваются такжемикроорганизмы, содержащие в отходах, и в микробное сообщество включаютсянедостающие звенья.

Действиемикроорганизмов биопрепаратов в том, что в процессе своей жизнедеятельности онивырабатывают ферменты, которые способны, расщеплять жиры, белки и другиесложные вещества органического происхождения на более простые органическиевещества, которые легко разлагаются ими до углекислоты и простых соединенийазота. После добавления препарата возрастает концентрация микроорганизмов, аследовательно и степень очистки. Клетки микроорганизмов иногда иммобилизуют натвердом дисперсном носителе, который может служить дополнительным источникомазота и фосфора. Препараты содержат ассоциации 6–12 штаммов аэробных ифакультативно анаэробных микроорганизмов, обеспечивающих комплексную очисткусточной воды от органических загрязнений: жиров, белков, сложных углеводов, идаже (специализированные) от нефтепродуктов. В качестве питательных элементовбиопрепараты содержат соли азота и фосфора, которые стимулируют ростмикроорганизмов и выработку микроорганизмами липолитических, амилазолитических,карбогидразных, и других ферментов, максимально облегчающих разложение органики.Аналогичные биоактиваторы, но с несколько другим составом, применяются так жепри производстве компоста, в биотуалетах и т.п.

Вывод.Преимуществом аэробной очистки является высокая скорость и использованиевеществ в низких концентрациях. Существенными недостатками, особенно приобработке концентрированных сточных вод, является высокие энергозатраты нааэрацию и проблемы, связанные с обработкой и утилизацией больших количествизбыточного ила. Аэробный процесс используется при очистке бытовых, некоторыхпромышленных и свиноводческих сточных вод с ХПК не выше 2000. Исключитьуказанные недостатки аэробных технологий может предварительная анаэробнаяобработка концентрированных сточных вод методом метанового сбраживания, котораяне требует затрат энергии на аэрацию и более того сопряжена с образованиемценного энергоносителя – метана. Преимуществом анаэробного процесса являетсятакже относительно незначительное образование микробной биомассы. К недостаткамследует относить невозможность удаления органических загрязнений в низкихконцентрациях. Для глубокой очистки концентрированных сточных вод анаэробнуюобработку следует использовать в комбинации с последующей аэробной стадией.Выбор технологии и особенности обработки сточных вод определяется содержаниеморганических загрязнений в них.

Сточныеводы больших городов и небольших поселков значительно отличается поконцентрации органических загрязнителей. Содержание органических загрязнителейв сточных водах больших городов не превышает 500 мг/л, составляя обычно 200–300мг/л. Бытовые сточные воды небольших населенных пунктов содержат большеорганики, от 500-1000 г./л и более. В современных дачных и коттеджныхпоселках часто туалетные и кухонные сточные воды, содержащие большое количествоорганических загрязнений, отделяются от стоков ванных комнат. Для очисткисточных вод интенсивно развивающихся коттеджных поселков строятся локальныеочистные сооружения, для пуска которых и вывода на рабочий необходимоиспользовать активный ил городских станций аэрации или специальные микробныепрепараты.

Списокиспользованной литературы

1.  Васильев Г.В., Ласков Ю.М., «Водное хозяйство и очисткасточных вод предприятий текстильной промышленности». М.: Легкая индустрия,1976.

2.  Вишаренко В.С. «Принципы управления качеством окружающейсреды городов. Урбоэкопогия.» М.: Наука. 1990.

3.  Стольберг Ф.В. «Экология города» учебник. К.: Либра. 2000.

4.  Трочешников Н.С., Родионов А.И., Кельцев И.В., «Техниказащиты окружающей среды» Учебное пособие для ВУЗов. – М.: Химия, 1981.

5.  Юрьев Б.Т. «Очистка сточных вод малых объектов». Рига, Авотс,1983.