Бурение грунтовых зондов, установка энергетических колодцев

Развитие общества приводит к постоянному увеличению количества антро­погенных отходов, поступающих в окружающую среду. На борьбу с этими отходами расходуются огромные средства, среди которых первое место (и с большим отрывом) занимают энергозатратные технологии: физико-химичес­кие, термические и др.

Однако в последние годы наметился существенный прорыв за счет исполь­зования биотехнологий, требующих существенно меньших затрат, например:

• для переработки органосодержащих отходов с получением ценных удобре­ний успешно используются красные калифорнийские черви;

• в Чехии в курортных районах для сохранения чистоты водоемов пестици­ды и гербициды заменили «белыми скворцами», успешно осуществляющими борьбу с вредными насекомыми;

• в прудах доочистки стоков нефтеперерабатывающих предприятий основ­ным «чистильщиком» являются некоторые виды рыб;

• древняя эйхорния, высшая водная растительность, очшцаег природные во­доемы и сточные воды от множества ингредиентов;

• сотрудники НИИ растениеводства (Санкт Петербург) предложили исполь­зовать так называемую безгашишную коноплю для поглощения углекислоты из атмосферы и очистки почвы от солей тяжелых металлов.

Остановимся на биохимических методах очистки стоков с использованием микробиолог ических штаммов, которые тоже относятся к биотехнологии. Де­вяносто лет хозяйственно-фекальные стоки очищаются на биохимических очи­стных сооружениях. Огромное количество производственных органосодержа­щих стоков также обрабатывается этими методами. Следует отметить, что и у нас, и за рубежом в последние годы идет реконструкция биохимических очис­тных комплексов, прежде всего в области обработки осадков и доочистки сточ­ных вод. Широкое использование для очистки разнообразных стоков — неф­тесодержащих, содержащих соединения тяжелых цветных металлов, городс­ких и др. — получили биоинженерные методы, основанные на использовании гидробионтов (микроорганизмов, водорослей и макрофитов).

Особенно удачно применяют макрофиты (тростник обыкновенный, камыш озерный, рогоз узколистый, злодея канадская и др.) в биоплато, биоканалах, многоступенчатых прудах для удаления меди, цинка, железа, ванадия, мышь­яка, нефтепродуктов, биогенов.

Обратим внимание на биотехнологические методы очистки стоков, содер­жащих ионы тяжелых цветных металлов (ИТТИ). Вероятно, первые разработ­ки в этом направлении были осуществлены в НПО «Союз» под руководством академика Б. П. Жукова в конце шестидесятых годов прошлого века. Были найдены микроорганизмы, которые при определенных анаэробных условиях в течение только одного часа очищали стоки от соединений шестивалентного хрома. Подобная технология была внедрена на очистных сооружениях автоза­вода «Коммунар» (г. Запорожье). Аналогичные работы проводились в Уфе, в нефтяном институте (В. Е. Губин, Г. Ф. Смирнова и др.). Разработанная техно­логия биохимической очистки производственных сточных вод (гальваничес­ких, травильных и др.) позволяет удалить ИТМ, органические и неорганичес­кие соединения, понижать солесодержание. Метод основан на применении комплекса гетеротрофных микроорганизмов, основой которых являются суль — фатвосстанавливающие бактерии, которые в анаэробных условиях восстанавливают сульфаты до сероводорода, осаждающего ионы металлов в виде нерастворимых сульфидов. Процесс сопровождается подщелачиванием среды обитания, что приводит к одновременному образованию и осаждению гидроксидов металлов. Питательными компонентами для микроорганизмов являются загрязняющие стоки органические и неорганические вещества, содержание которых снижается.

Интересный опыт получен ПО «ЭМ-кооперация Урала» по переработке орга­нических отходов в удобрения с помощью биопрепаратов Тамир и Байкал — ЭМ. Особенно интересен факт успешной переработки отходов свинокомплекса на 5 тыс. голов в черте города. Специалисты знают, насколько сложна эта про­блема.

Однако пока основным методами очистки разнообразных стоков остаются традиционные биохимические, на которых мы останови, мся.

Биологические методы очистки сточных вод основаны на естественных про­цессах жизнедеятельности гетеротрофных микроорганизмов. Микроорга­низмы, обладают рядом особых свойств, из которых выделим три основных, используемых дня целей очиспси:

• способность потреблять в качестве источников питания самые разнооб­разные органические (и некоторые неорганические) соединения для получе­ния энергии и обеспечения своего функционирования.

• свойство быстро размножаться. В среднем число бактериальных клеток удваивается через каждые 30 мнн.

• способность образовывать колонии и скопления, которые сравнительно легко можно отделить от очищенной воды после завершения процессов изъя­тая содержавшихся в ней загрязнений.

В живой микробиальной клетке непрерывно и одновременно протекают два процесса — распад молекул (катаболизм) и их синтез (анаболизм), состав­ляющие в целом процесс обмена веществ — метаболизм. Иными словами, процессы деструкции потребляемых микроорганизмами органических соеди­нений неразрывно связаны с процессами биосинтеза новых микробиальных клеток, различных промежуточных или конечных продуктов, на проведение которых расходуется энергия, получаемая микробиальной клеткой в результа­те потребления питательных веществ. Источником питания для гетеротроф­ных микроорганизмов являются углеводы, жиры, белки, спирты и т. д., кото­рые могут расщепляться ими либо в аэробных, либо в анаэробных условиях. Значительная часть продуктов микробной трансформации может выделяться клеткой в окружающую среду или накапливаться в ней. Некоторые промежу­точные продукты служат питательным резервом, который клетка использует после истощения основного питания.

Весь цикл взаимоотношений клетки с окружающей средой в процессе изъ­ятия из нее и трансформации питательных веществ определяется и регулиру­ется соответствующими ферментами. Ферменты локализуются в цитоплазме и в различных субструктурах, встроенных в мембрану клетки, выделяются на поверхность клетки или в окружающую среду. Общее содержание ферментов в клетке достигает 40-60 % от общего содержания в ней белка, а содержание каждого из ферментов может составлять от 0,1 до 5 % от содержания белка. При этом в клетках может находиться свыше 1 ООО видов ферментов, а каждую биохимическую реакцию, осуществляемую клеткой, могу т катализировать 50- 100 молекул соответствующего фермента. Часть ферментов представляют со­бой сложные белки (протеиды), содержащие кроме белковой части (агюфер — мента) небелковую часть (кофермент). Во многих случаях коферментами яв­ляются витамины, иногда комплексы, содержащие ионы металлов.

Ферменты делятся на шесть классов по характеру реакций, катализирую­щих: окислительные и восстановительные процессы; перенос различных хими­ческих групп от одного субстрата к другому; гидролитическое расщепление химических связей субстратов; отщепление от субстрата химической группы или присоединение таковой; изменение в пределах субстрата; соединение мо­лекул субстрата с использованием высокоэнергетических соединений.

Поскольку микробиальная клетка потребляет только растворенные в воде органические вещества, то проникновение в клетку нерастворимых в воде ве­ществ, таких, например, как крахмал, белки, целлюлоза и др. возможно лишь после их соответствующей подготовки, для чего клетка выпускает в окружаю­щую жидкость необходимые ферменты для гидролитического их расщепле­ния на более простые субъединицы.

Коферменты определяют природу катализируемой реакции и по выпол­няемым функциям подразделяются на три группы:

• переносящие ионы водорода или электроны; связаны с окислительно-вос­становительными ферментами — оксидоредуїсгазами.

• участвующие в переносе групп атомов (АТФ — аденозинтрифосфорная кислота, осфаты углеводов, СоА — коферменат А и др.)

• катализирующие реакции синтеза, распада и изомеризации углеродных связей.

Механизм изъятия из раствора и последующей диссимиляции субстрата но­сит весьма сложный и многоступенчатый харагсгер взаимосвязанных и после­довательных биохимических реакций, определяемых типом питания и дыха­ния бактерий.

Процессы биохимического окисления у гетеротрофных микроорганизмов делят на три группы в зависимости оттого, что является конечным акцептором водородных атомов или электронов, отщепляемых от окисляемого субстрата.

Если акцептором является кислород, то этот процесс называют клеточным ды­ханием или просто дыханием; если акцептор водорода—органическое вещест­во, то процесс окисления называют брожением; наконец, если акцептором во­дорода является неорганическое вещество типа нитратов, сульфатов и пр., то пронесе называют анаэробным дыханием, или просто анаэробным.

Наиболее полным является процесс аэробного окисления, т. к. его продукты —вещества, не способные к дальнейшему разложению в микробиальной клетке и не содержащие запаса энергии, которая могла бы быть высвобождена обыч­ными химическими реакциями. Главные из этих веществ диоксид углерода (С02) и вода (Н20). Хотя оба эти вещества содержат кислород, химический путь их образования в клетке может быть различным поскольку диоксид угле­рода может получаться в результате биохимических процессов, протекающих в бескислородной среде под воздействием ферментов — декарбоксилаз, от­щепляющих СО, от карбоксильной группы (СООН) кислоты. Вода в результа­те жизнедеятельности клетки образуется исключительно путем соединения кислорода воздуха с водородом тех органических веществ, от которых он от­щепляется в процессе их окисления.

Аэробная диссимиляция субстрата — углеводов, белков, жиров носит ха­рактер много стадийного процесса, включающего первоначальное расщепле­ние сложного углеродсодержащего вещества на более простые субъединицы (к примеру полисахариды — в простые сахара; жиры — в жирные кислоты и глицерол; белки — в аминокислоты), подвергающиеся, в свою очередь, даль­нейшей последовательной трансформации. При этом доступность субстрата окислению существенно зависит от строения углеродного скелета молекул (прямой, разветвленный, циклический) и степени окисления углеродных ато­мов. Наиболее легко доступными считаются сахара, особенно гексозы, за ними следуют многоатомные спирты (глицерин, маннит и др.) и карбоновые кисло­ты. Общий конечный путь, которым завершается аэробный обмен углеводов, жирных кислот, аминокислот, — цикл трикарбоновых кислот (ЦТК) или цикл Кребса, в который эти вещества вступают на том или ином этапе. В условиях аэробного метаболизма около 90 % потребляемого кислорода используется на дыхательный путь получения энергии клетками микроорганизмов.

Брожение является процессом неполного расщепления органических ве­ществ, преимущественно углеводов в условиях без кислорода, в результате которого образуются различные промежуточные частично окисленные про­дукты, такие как спирт, глицерин, муравьиная, молочная, пропионовая кисло­ты, бутанол, ацетои, метан и др., что широко используется в биотехнологии для получения целевых продуктов. До 97 % органического субстрата может превращаться в такие побочные продукты и метан.

Для удаления из воды растворенных органических веществ наиболее часто применяют биохимическое их окисление в природных или искусственно соз­данных условиях. В первом случае для этого используются почвы, прогочные и замкнутые водоемы (реки, озера, лагуны и т. п.), во втором — специально построенные для очистки сооружения (биофильтры, аэротенки и другие окислители различных модификаций). Эти сооружения аналогичны сооруже — пиям, применяемым для очистки бытовых сточных вод; специфичны лишь исходные расчетные данные (нагрузка по воде и по количеству загрязняющих веществ на единицу объема сооружения), которые определяются особеннос­тями состава производственных стоков.

Наибольшие трудности при очистке бытовых и производственных сточных вод связаны с удалением из них тонкодисперсных и растворенных органических веществ. Для извлечения таких, примесей используются биохимические про­цессы, осуществляемые комплексом различных видов микроорганизмов, спо­собных адаптироваться (приспосабливаться) к условиям среды, т. е. к составу воды и концентрации в ней загрязнений, а также к температуре и активной реакции воды. Этим свойством объясняется то, что практически биологичес­кая очистка сточных вод, содержащих различного рода органические веще­ства, производится в основном одним и тем же комплексом микроорганизмов.

Биологическая очистка сточных вод основана на способности микроорга­низмов использовать для питания находящиеся в сточных водах органические вещества (кислоты, спирты, белки, углеводы и т. д.), которые являются для них источником углерода. Необходимые для жизнедеятельности микроорганизмов азот, фосфор, калий они получают из различных соединений: азот — из амми­ака, нитратов, аминокислот и др. (некоторые микроорганизмы — азотобактер —- могут использовать азот из воздуха); фосфор и калий — из минеральных солей этих веществ. В процессе питания микроорганизмов происходит при­рост их массы.

Процесс биологической очистки условно разделяют на две стадии (проте­кающие одновременно, но с различной скоростью): адсорбция из сточных вод тонколисперсной и растворенной примеси органических и неорганических ве­ществ поверхностью тела микроорганизмов и разрушение адсорбированных веществ внутри клетки микроорганизмов при протекающих в ней биохимиче­ских процессах (окислении, восстановлении). Обе стадии наблюдаются в аэроб­ных, и в анаэробных условиях. Соответственно и микроорганизм разделяют на две группы: аэробные и анаэробные.

Биологическое окисление — широко применяемый на практике метод очи­стки производственных сточных вод, позволяющий очистить их от многих ор­ганических примесей. Процесс этот, по своей сущности, природный, и его ха­рактер одинаков для процессов, протекающих в водоеме, очистном сооруже­нии, и др.

Биологическое окисление осуществляется сообществом микроорганизмов (биоценозом), включающим множество различных бактерий, простейших и

ряд более высокоорганизованных организмов — водорослей, грибов и т. д., связанных между собой в единый комплекс сложными взаимоотношениями (метабиоза, симбиоза и антагонизма). Главенствующая роль в этом сообще­стве принадлежит бактериям, число которых варьирует от ІО’ до 1014 клеток на 1 г сухой биологической массы (биомассы). Число родов бактерий может достигать 5-10, число видов — нескольких десятков и даже сотен.

Такое разнообразие видов бактерий обусловлено наличием в очищаемой воде органических веществ различных классов. Если же в составе сточных вод при­сутствует лишь один или несколько близких по составу источников органи­ческого углерода, т. е. один или несколько близких гомологов органического соединения, то возможно развитие монокультуры бактерий.

Сообщество микроорганизмов представлено одними бактериями в том слу­чае, если очистку проводят в анаэробных условиях (в отсутствии растворен­ного в воде кислорода) или при слишком неблагоприятном уровне питания, который представляет собой отношение количества органических веществ к числу микроорганизмов. Неблагоприятным уровнем питания может оказать­ся, например, слишком высокое соотношение количеств подаваемых на очис­тку загрязнений и биомассы микроорганизмов. Если очистку проводят в анаэ­робных условиях (в присутствии растворенного кислорода), то при благопри­ятной обстановке в сообществе микроорганизмов развиваются простейшие, представленные числом видов от 1 до 15—30.

Среди бактерий в очистных сооружениях сосуществуют гетеротрофы и ав­тотрофи, причем преимущественное развитие та или иная группа получает в зависимости от условий работы системы. Эти две группы бактерий различа­ются по своему отношению к источнику углеродного питания. Гетеротрофы используют в качестве источника углерода готовые органические вещества и перерабатывают их для получения энергии и биосинтеза клетки. Автотроф — ные организмы потребляют дм синтеза клетки неорганический углерод, аэнер — гию получают за счет фотосинтеза, используя энергию света, либо хемосинте­за путем окисления некоторых неорганических соединений (например, амми­ака, нитритов, солей двухвалентного железа, сероводорода, элементарной серы и др.).

Механизм биологического окисления в аэробных условиях гетеротрофными бактериями может быть представлен следующей схемой:

органические вещества + 02 + N + Р —> микроорганизмы + С02 + Н20 +

+ биологически неокисляемые растворенные вещества;

микроорганизмы + 02 -» С02 + Н20 +N + Р +

+ биологически неразрушаемая часть клеточного вещества.

Первая схема символизирует окисление исходных органических загрязнений сточных вод и образование новой биомассы. В очищенных сточных водах ос­таются биологически неокисляемые вещества, преимущественно в растворен­ном состоянии, так как коллоидные и нерастворенные вещества удаляются из сточной воды методом сорбции.

Процесс эндогенного окисления клеточного вещества, который происходит после использования внешнего источника питания, описывает вторая схема.

Примером окисления автотрофами может быть процесс нитрификации

55NH/ + 5СО + 760z -» CsH, N02 + 54№2~ + 52НгО + 109Н‘; (4.77)

400)т0./’ + 5С02 + NH„4 + 19502 + 2Н20 -> C5H7N02 + 400N03 + Н (4.78)

где C5H? N02 — символ состава органического вещества образующихся клеток микроорганизмов.

Реакцию осуществляют бактерии poflaNitrosomoms, прн этом они переводят азот аммонийных солей в азот нитритов, а реакцию — окисление азотанитри — тов в азот нитратов проводят бактерии рода Nitrobacter.

Анаэробный процесс метановой ферментации проходит по следующей схеме:

органические вещества + Н20 —> СН4 + С02 + C5H7N02 + NH4+ + НС03.

Анаэробный процесс денитрификации происходит в две стадии:

N03~ + органические вещества -> N02 + С02 + Н20;

N03‘ + органические вещества —> N2 — I — С02 + Н20 + ОН.

Если процесс денитрификации проводят с биологически очищенной водой, практически лишенной исходных органических веществ, то в качестве угле­родного питания применяют относительно недорогой метиловый спирг. В этом случае суммарная реакция денитрификации может быть записана следующим образом:

6N03“ + 5Н3СОН—> 3N2 + 5С02 + 7Н20 + 601Г. (4.79)

Перечисленные схемы процессов далеко не исчерпывают всех возможностей биологического окисления (биоокисления), но именно они наиболее часто встречаются в практике очистки городских и производственных сточных вод. Все показанные здесь ферментативные реакции осуществляются внутри клет­ки, для чего необходимые элементы питания должны попадать в ее тело сквозь оболочку. Многие же исходные органические примеси могут иметь слишком большие размеры частиц по сравнению с размерами клетки. В связи с этим значительная роль в общем процессе окисления отводится протекающему вне клетки ферментативному гидролитическому расщеплению крупных молекул и частиц на более мелкие, соизмеримые с размерами клетки.

Если в сообществе микроорганизмов имеются простейшие, то их роль весь­ма многопланова и заключается, прежде всего, в регулировании числа бакте­рий в сообществе микроорганизмов и в непосредственном изъятии из сточной воды крупных частиц исходных примесей.

Эффективность процессов биологической очистки зависит от ряда факторов, одни из которых поддаются изменению и регулированию в широких диапазонах в пределах биологической системы, регулирование же других, таких, напри­мер, как состав поступающих иа очистку сточных вод, практически исключено. Действие основных факторов, определяющих пропускную способность сис­темы и степень очистки сточной воды, рассмотрено ниже.

Температура. Оптимальной температурой для аэробных процессов, проис­ходящих в очистных сооружениях., считается 20-30 °С, при этом биоценоз при прочих благоприятных условиях представлен наиболее разнообразными и хо­рошо развитыми микроорганизмами. В то же время температурный оптимум бактерий различных групп варьирует в широких пределах: для психрофилов 10-15 °С, мезофилов 25-37 °С, термофилов — 52-55 °С.

Микроорганизмы хорошо развиваются при оптимальных температурах и сохраняют свою жизнеспособность при колебаниях температур в значитель­ных диапазонах (рис. 4.57).

Если температурный режим не соответствует оптимальному, то рост ку­льтуры, а также скорость обменных процессов в клетке заметно ниже мак­симальных значений. Наиболее неблагоприятное влияние на развитие культу­ры оказывает резкое изменение температуры. При аэробной очистке сточных вод влияние температуры усугубляется еще вследствие соответственного из­менения растворимости кислорода. Очень чувствительны к температуре бак­терии нитрификаторы; их наибольшая активность наблюдается при темпера­туре не ниже 25 °С.

Продолжительность аэрации следует умножить на отношение 15/Т (где Т— среднегодовая температура поступающих на очистку сточных вод). От-

носительная продолжительность окисления х изменяется в зависимости от ко­лебаний температуры сточной воды:

Г,°С………. 10 15 20 25 30

-с………….. 0,67 1 1,3 1,67 2

При расчете высоконагружаемых: биофильтров влияние температуры учи­тывается уравнением Стриттера:

кт=к20- 1,047г-20, (4.80)

где кт и /с20 — константы процесса соответственно при расчетных температу­рах сточных вод Т и 20 °С.

Если условно принять /с20 = 1, то относительное изменение величины кон­станты процесса в зависимости от температуры оказывается:

Т,°С…………….. 10 15 20 25 30

кт………………. 0,63 0,79 1 1,26 1,58

Активная реакция среды. Концентрация водородных ионов существенно влияет на развитие микроорганизмов. Значительная часть бактерий развива­ется лучше всего в нейтральной среде или близкой к ней, однако имеются виды, хорошо развивающиеся в кислой среде с pH = 4-6 (грибы, дрожжи) или, наобо­рот, в слабощелочной среде (актиномицеты).

Биологическая очистка наиболее эффективна, если значение pH не выходит за пределы 5-,оптимальной считается среда с pH = 6,5-7,5. Отклонение pH за пределы 5-9 влечет за собой уменьшение скорости окисления вследствие за­медления обменных процессов в клетке, нарушения проницаемости ее цито­плазматической мембраны и др.

Ряд бактерий в процесс е жизнедеятельности изменяет реакцию среды. Так, при разложении мочевины выделяющийся аммиак подщелачивает среду. Очень важно, что микроорганизмы сами способны регулировать величину pH среды, хотя и к ограниченных пределах.

Если значения температуры и pH выходят за пределы не только оптимальных, но и допустимых величин, необходимо корректировать эти параметры в сточ­ных водах, поступающих на биологическую очистку.

Биогенные элементы для нормального процесса синтеза клеточного веще­ства, а следовательно, и для эффективного процесса очистки сточной воды в среде должна быть достаточная концентрация всех основных элементов пита­ния — органического углерода, азота, фосфора.

Кроме основных элементов состава клетки (С, N, О, Н) для ее построения необходимы в незначительном количестве и другие компоненты. Так, потреб — ность клетки в марганце составляет 10-10-5 мг на 1 мг снятой БПК5, меди 14,6-КГ5, цинке— 16-10’5, молибдене — 43-КГ5, селене — 14-10’10, магнии — 30-КҐ1, кобальте — 13-Ю-5, кальции — 62-10"4, натрии — 5-Ю’3, калии — 45-КҐ1, железе — 12-10’3, карбонат-ионе — 27-10-4. Содержание указанных элементов в природных водах, из которых затем образуются сточные, обычно достаточно, чтобы полностью удовлетворить требованиям бактериального ме­таболизма. Часто не хватает азота и фосфора и их добавляют искусственно в виде суперфосфата, ортофосфорной кислоты, аммофоса, сульфата, нитрата или хлорида аммония, мочевины и т. п.

Достаточность элементов питания для бактерий в сточных водах определяется соотношением БПК : N : Р (азот аммонийных солей или белковый и фосфор в виде растворенных фосфатов). Согласно рекомендациям СНиП П -32-74, при обработке городских сточных вод соотношение ЕПКпо1и: N: Р должно быть не менее 100 : 5 : 1. Можно подсчитать, что в бытовых сточных водах, по­ступающих после механической очистки на биологическую, это соотношение составляет примерно 100 : 20 : 2,5. Как видно, здесь содержание азота и фос­фора намного выше, чем это требуется, вследствие чего целесообразна совме­стная очистка бытовых и производственных сточных вод, если последние не содержат указанных биогенов.

Уровень питания. В технической литературе за меру уровня питания при­нимают величину суточной нагрузки по загрязнениям в пересчете на 1 м3 очи­стного сооружения, иа 1 г сухой биомассы ш на V г беззольной части биомас­сы. Наиболее часто оперируют значениями нагрузки по ВПК, однако в ряде случаев подсчитывают и величину нагрузки по индивидуальному виду загряз­нений.

Для аэрационных сооружений величина нагрузки на активный ил в со­вокупности с другими характеристиками дает возможность предсказать эф­фективность процесса очистки и, в частности, седиментационные свойства ила.

По степени нагруженности аэрационные системы разделяют на высоко — нагружаемые, классические и низконагружаемые. В высоконагружаемых систе­мах (с нагрузкой более 400 мг БГІК ^ на 1 г беззольного вещества ила в сутки) сравнительно с остальными системами прирост ила наибольший, степень очи­стки наименьшая, ил содержит незначительное число видов простейших. Клас — сические системы (с нагрузкой 150-400 мг БПК^ на 1 г беззольного веще­ства ила в сутки) обеспечивают очень высокую степень очистки по ВПК, иногда частичную нитрификацию, имеют хорошо флоккулируемый ил, населенный большим числом микроорганизмов различных групп. Прирост ила в класси­ческих системах меньше максимального в связи с достаточно глубоко прохо­дящими процессами эндогенного окисления ила. В аэрогенках низконагружа — емых (с нагрузкой ниже 150 мг БПК]оші на 1 г беззольного вещества ила в сут­ки) степень очистки по ВПК колеблющаяся, но чаще высокая глубоко развит процесс нитрификации, прирост ила минимален, микробиологическое его на­селение весьма разнообразно.

Кислородный режим. В аэробных биологических системах подача воздуха (а также чистого кислорода или воздуха, обогащенного кислородом) должна обеспечивать постоянное наличие в смеси растворенного кислорода не ниже 2 мг/дм3.

Система аэрации обеспечивает также постоянное поддержание ила во взве­шенном состоянии.

Токсичные вещества. Токсичным действием на биологические процессы могут обладать органические и неорганические вещества. Токсичное действие может быть и микробостагическим, если задерживается рост и развитие мик­роорганизмов, и убивающим (микробоцидным). Большинство веществ прояв­ляет то или иное действие в зависимости от концентрации их в очищаемой смеси.

Следует отметить, что и некоторые элементы, являющиеся необходимыми органогенами клетки, при высоких концентрациях становятся также ток­сичными. В связи с этим одной из основных задач является установление вели­чин ПДК для индивидуальных химических веществ, а также выявление воз­можного действия смеси веществ, одновременно присутствующих в очищае­мой сточной воде.

За величину ПДК принимают максимальную концентрацию токсичного ве­щества, находящегося в воде и не оказывающего заметно отрицательного дей­ствия на работу биологических очистных сооружений (ПДК6ос) в то же время некоторое микробостатическое действие может проявляться уже при зна­чительных меньших концентрациях, чем ПДК^. Поэтому кроме величины ПДКбос иногда указывается величина ПДК6 — концентрация вещества, при превышении которой может быть отмечено какое-либо отрицательное действие на процессы биоокисления и на процессы жизнедеятельности клетки.

Неорганические и ряд металлоорганических веществ характеризуются в ос­новном только величинами ПДКС, поскольку эти вещества, как правило, ие влияют на работу биологических сооружений (например, не способствуют пе — нообразованию, не изменяют растворимости кислорода и т. п.). Наименьшие ПДК6 имеют: тетраэтилсвинец — 0,001 мг/дм3; соединения бериллия, титана, ртуги, хрома шестивалентного (все в пересчете на соответствующий элемент) и оксид углерода—0,01 мг/дм3; соединения бора (в пересчете на бор)—0,05 мг/ дм3; соединения висмута, ванадия, кадмия, никеля (в пересчете на элемент) — 0,1 мг/дм3; сульфат меди (в пересчете на медь) — 0,2 мг/дм3; цианистый калий — 2 мг/дм3 и т. д. Наименее токсичными являются соли натрия, лития, магния: их содержание в воде до 10 г/дм3 не оказывает никакого действия. По отдель­ным сообщениям биологическая очистка сточных вод возможна при концент­рации хлористого натрия до 10-20 мг/дм3. Соли калия имеют величину ПДК6 = = 1-560 мг/дм3 в зависимости от вида аниона: самым ядовитым является ка­лий железистосинеродистый, наименее токсичным — калий фосфорнокислый. Соли кальция менее токсичны, чем соли калия, но и они имеют разную ПДК6 в зависимости оттого, в виде какого соединения они присутствуют в воде.

Что касается органических веществ, то действие их изучено уже более чем для 800 соединений и число это непрерывно возрастает. Не выявлено пока какой-либо определенной взаимосвязи между величинами ПДК и собствен­ной биохимической окисляемостыо вещества, оцениваемой отношением БПК/ ХПК.

Заметим, что указываемые в литературе величины ПДК следует рассматривать как ориентировочные. Эти величины могут существенно изменяться от усло­вий работы очистного сооружения, в частности, по концентрации ила. В связи с этим представляется более целесообразным вместо ПДК6ос. определять до­пустимую нагрузку по индивидуальному соединению на единицу беззольной части биомассы ила, чем будут учтены возможные варианты концентрации ила в сооружении.

Все вещества биологического происхождения могут быть окислены в аэроб­ных условиях и, каким бы сложным ни было вещество, в природе всегда най­дется микроорганизм, способный его расщепить полностью или частично. Фрагменты частично расщепленного вещества обязательно используется дру­гими микроорганизмами. Это утверждение основывается на том факте, что за все время существования нашей планеты на ее поверхности нигде не отмече­но сколько нибудь заметного накопления органических веществ. Поэтому мож­но говорить о «всемогуществе» сообщества микроорганизмов и их практичес­кой «универсальности».

В этой связи и биологическое окисление примесей бытовых сточных вод (за исключением некоторых ПАВ), несмотря на их сложность, естественным об­разом включено в общий биологический круговорот биосферы. И задачей в очистке бытовых сточных вод является лишь интенсификация окислительных процессов, доступных природным механизмам биосферы. Однако, приспосо­бившись усваивать естественные продукты, микроорганизмы очистных соору­жений не всегда могут справиться с новыми видами производственных загряз­нений, особенно если эти загрязнения по составу слишком отличаются от естественных.

Неорганические и ряд металлоорганических веществ характеризуются в ос­новном только величинами ПДКС, поскольку эти вещества, как правило, не влияют на работу биологических сооружений (например, не способствуют це­нообразованию, не изменяют растворимости кислорода и т. п.). Наименьшие ПДК6 имеют: тетраэтилсвинец — 0,001 мг/дм3; соединения бериллия, титана, ртути, хрома шестивалентного (все в пересчете иа соответствующий элемент) и оксид углерода—0,01 мг/дм3; соединения бора (в пересчете на бор)—0,05 мг/ дм3; соединения висмута, ванадия, кадмия, никеля (в пересчете на элемент) — 0,1 мг/дм3; сульфат меди (в пересчете на медь) — 0,2 мг/дм3; цианистый калий — 2 мг/дм3 и т. д. Наименее токсичными являются соли натрия, лития, магния: их содержание в воде до 10 г/дм3 не оказывает никакого действия. По отдель­ным сообщениям биологическая очистка сточных вод возможна при концент­рации хлористого натрия до 10-20 мг/дм3. Соли калия имеют величину ПДК6 =

= 1-560 мг/дм3 в зависимости от вида аниона: самым ядовитым является ка­лий железистосинеродистый, наименее токсичным—калий фосфорнокислый. Соли кальция менее токсичны, чем соли калия, но и они имеют разную ПДК6 в зависимости оттого, в виде какого соединения они присутствуют в воде.

Что касается органических веществ, то действие их изучено уже более чем для 800 соединений и число это непрерывно возрастает. Не выявлено пока какой-либо определенной взаимосвязи между величинами ПДК и собствен­ной биохимической окисляемостью вещества, оцениваемой отношением БПК/ ХПК.

Заметим, что указы ваемые в литературе величины ПДК следует рассматривать как ориентировочные. Эти величины могут существенно изменяться от усло­вий работы очистного сооружения, в частности, по концентрации ила. В связи с этим представляется более целесообразным вместо ПДК6ос. определять до­пустимую нагрузку по индивидуальному соединению на единицу беззольной части биомассы ила, чем будут учтены возможные варианты концентрации ила в сооружении.

Все вещества биологического происхождения могут быть окислены в аэроб­ных условиях и, каким бы сложным ни было вещество, в природе всегда най­дется микроорганизм, способный его расщепить полностью или частично. Фрагменты частично расщепленного вещества обязательно используется дру­гими микроорганизмами. Это утверждение основывается на том факте, что за все время существования нашей планеты на ее поверхности нигде не отмече­но сколько нибудь заметного накопления органических веществ. Поэтому мож­но говорить о «всемогуществе» сообщества микроорганизмов и их практичес­кой «универсальности».

В этой связи и биологическое окисление примесей бытовых сточных вод (за исключением некоторых ПАВ), несмотря на их сложность, естественным об­разом включено в общий биологический круговорот биосферы. И задачей в очистке бытовых сточных вод является лишь интенсификация окислительных процессов, доступных природным механизмам биосферы. Однако, приспосо­бившись усваивать естественные продукты, микроорганизмы очистных соору­жений не всегда могут справиться с новыми видами производственных загряз-

Рис. 4.61. Схема очистных сооружений с большими полями орошения: 1 — канализационный кол­лектор; 2 — канализационный колодец; 3 — решетка; 4 — дробилки; 5 — песколовка; 6 — песковые площадки: 7 — отстойник; 8 — метантенк; 9 — иловые площадки; 10 распределительный колодец; 11 — поля орошения; 12 — дренаж; 13 — биологический пруд; 14 — подача воды для технических целей; 12 — выпуск в водоем

нений, особенно если эти загрязнения по составу слишком отличаются от естественных.

Неорганические и ряд металлоорганических веществ характеризуются в ос­новном только величинами ПДКб, поскольку эти вещества, как правило, не влияют на работу биологических сооружений (например, не способствуют пе — нообразованию, не изменяют растворимости кислорода и т. п.). Наименьшие ПДК6 имеют: тетраэтилсвинец — 0,001 мг/дм3; соединения бериллия, титана, ртути, хрома шестивалентного (все в пересчете на соответствующий элемент) и оксид углерода—0,01 мг/дм3; соединения бора (в пересчете на бор)—0,05 г/ дм ; соединения висмута, ванадия, кадмия, никеля (в пересчете на элемент) — 0,1 мг/дм3; сульфат меди (в пересчете на медь) — 0,2 мг/дм3; цианистый калий — 2 мг/дм и т. д. Наименее токсичными являются соли натрия, лития, магния: их содержание в воде до 10 г/дм3 не оказывает никакого действия. По отдель­ным сообщениям биологическая очистка сточных вод возможна при концент­рации хлористого натрия до 10-20 мг/дм3. Соли калия имеют величину ПДК^ = 1—560 мг/дм в зависимости от вида аниона: самым ядовитым является ка­лий железистосинеродистый, наименее токсичным — калий фосфорнокислый. Соли кальция менее токсичны, чем соли калия, но и они нмеют разную ПДКб в зависимости отгого, в виде какого соединения они присутствуют в воде.

Что касается органических веществ, то действие их изучено уже более чем для 800 соединений и число это непрерывно возрастает. Не выявлено пока какой-либо определенной взаимосвязи между величинами ПДК и собствен­ной биохимической окисляшостъю вещества, оцениваемой отношением БПК/ ХПК.

Заметим, что указываемые в литературе величины ПДК следует рассматривать как ориентировочные. Эти величины могут существенно изменяться от усло — вий работы очистного сооружения, в частности, по концентрации нла. В связи с этим представляется более целесообразным вместо ПДК6лс. определять до­пустимую нагрузку по индивидуальному соединению на единицу беззольной части биомассы ила, чем будут учтены возможные варианты концентрации ила в сооружении.

Все вещества биологического происхождения могут быть окислены в аэроб­ных условиях и, каким бы сложным ни было вещество, в природе всегда най­дется микроорганизм, способный его расщепить полностью или частично. Фрагменты частично расщепленного вещества обязательно используется дру­гими микроорганизмами. Это утверждение основывается на том факте, что за все время существования нашей планеты иа ее поверхности нигде не отмече­но сколько нибудь заметного накопления органических веществ. Поэтому мож­но говорить о «всемогуществе» сообщества микроорганизмов и их практичес­кой «универсальности».

В этой связи и биологическое окисление примесей бытовых сточных вод (за исключением некоторых ПАВ), несмотря на их сложность, естественным об­разом включено в общий биологический круговорот биосферы. И задачей в очистке бытовых сточных вод является лишь интенсификация окислительных процессов, доступных природным механизмам биосферы. Однако, приспосо­бившись усваивать естественные продукты, микроорганизмы очистных соору­жений не всегда могут справиться с новыми видами производственных загряз­нений, особенно если эти загрязнения по составу слишком отличаются от естественных.

Окисление в сооружениях далеко не всегда проходит до конца, т. е. до об­разования С02 и Н20. В воде после биологической очистки могут появиться вещества — промежуточные продукты, которых не было в исходной сточной воде, иногда даже менее желательные для водоема, чем первоначальные заг­рязнения. В связи с этим глубокая расшифровка веществ в очищенной сточ­ной воде — задача первостепенной важности при решении вопроса об их даль­нейших превращениях в водоеме (почве).

Суммарное количество органических веществ, которое может быть изъято и разрушено комплексом микроорганизмов, в основном определяется биомассой этого комплекса. Скорость лее изъятия веществ и их окисления зависит от мно­гочисленных факторов: от структуры веществ и их концентрации, их сочета­ния в очищаемых водах и способности взаимодействовать, от степени их ток­сичности и т. д.

Биохимическому окислению могут подвергаться и некоторые минеральные вещества: например, сероводород с помощью серобактерий окисляется до эле­ментной серы и серной кислоты; аммиак окисляется до азотистой, азотной кислоты (нитрификация).

В настоящее время биологические методы находят все более широкое при­менение для очистки сточных вод различных производств благодаря таким достоинствам, как низкий расход энергии, высокий возвратный энергетический потенциал (например, выделение газа в процессе анаэробного сбраживания), отсутствие вторичного загрязнения воды, способность обеспечивать жесткие нормативы условий сброса и, наконец, относительно невысокие экс­плуатационные расходы.

Окисление загрязнений может происходить в анаэробных и аэробных ус­ловиях. Очистка анаэробным способом, т. е. без доступа кислорода воздуха, производится в мегантенках — резервуарах закрытого типа, содержащих ана­эробный ил. Этот ил включает различные группы микроорганизмов, осуще­ствляющих процессы брожения.

Анаэробная очистка ведется в диапазоне температур 20-60 °С и применяется для сбраживания высококонцентрированных сточных вод, а также для обезв­реживания осадков сточных вод, и избыточного ила, образующегося в аэ­ротенках. К достоинствам анаэробного метода относятся возможность очист­ки очень загрязненных сточных вод без предварительного разбавления и относительно невысокие эксплуатационные расходы, так как отпадает необ­ходимость в подаче воздуха, а влажность ила и его прирост во много раз мень­ше, чем при аэробном пропессе; кроме того, в процессе сбраживания образу­ется значительное количество метана, который может быть использован дій нужд энергетики.

Однако из-за ряда недостатков (невысокой скорости процесса, неспособности микроорганизмов сбраживать некоторые органические соединения, высокой чувствительности анаэробных процессов к температуре и концентрации ве­ществ, взрывоопасности образующихся при брожении газов) метод ие нашел широкого применения.

Аэробная очистка осуществляется организмами, нуждающимися в свободном кислороде воздуха, и происходит как в естественных условиях (водоемах, окис­лительных прудах, на полях орошения), так и на искусственных очистных со­оружениях (в аэротенках различных систем, аэрофильтрах, биофильтрах). Чаще всего аэробная очистка осуществляется в аэротенках — открытых бассейнах проточного типа с принудительной аэрацией, содержащих активный ил. В иле находится огромное количество бактерий и простейших. Иловая смесь (сточ­ная вода и активный ил) подвергается интенсивной аэрации, продолжи­тельность которой зависит от концентрации примесей в точной воде и задан­ной степени очистки. При этом происходит окисление сложных органических веществ, содержащихся в сточных водах до простых продуктов. Тот же прин­цип применяется при очистке сточных вод на биофильтрах, конструктивно отличающихся тем, что сточная вода фильтруется через какой-либо пористый материал (кокс, керамзит, шлак и т. д.).

Аэробная очистка сточных вод может также производиться в биологических прудах, заполняемых жидкостью. В таких прудах формируется своеобразный комплекс бактериальной флоры и фитопланктона, под действием которого происходит окисление органического вещества сточных воц. Существует три типа прудов: сточные воды разбавляются в пруцу чистой речной водой; неочи­щенная сточная вода проходит последовательно 4-6 ступеней очистки; пруд для доочистки устраивается после станции биологической очистки. Наиболь­шее распространение получили пруды, заполняемые неочищенной сточной водой.

Биоценоз в прудах более разнообразен, чем в аэротенках, однако кон­центрация микроорганизмов там обычно невелика, поэтому необходимый пе­риод пребывания в них сточных вод достигает десятков суток. Нараду с этим глубина процесса очистки в прудах может превышать показатели, достигае­мые в обычных аэротенках.

В зависимости от условий жизнедеятельности микроорганизмов в процессе очистки биомасса может уменьшаться или увеличиваться. Прирост ее зависит от соотношения между количеством органических веществ, поддающихся биохимическому распаду, выраженным БПК, и общим количеством ор­ганических веществ, содержащихся в очищаемой сточной жидкости, выра­женным ХПК. Чем больше величина этого соотношения, тем выше прирост биомассы, так как происходит он за счет разницы в количестве органического вещества, оцениваемого по ХПК и БПК. В производственных сточных водах соотношение БПК и ХПК колеблется в пределах от 0 до 0,9.

Зависимость между приростом биомассы и БПК необходимо учитывать при выборе типа биоокислителя. Очевидно, что для очистки стоков с большой ХПК и малой ВПК нельзя применять биофильтры обычной конструкции с мелко — и даже крупнозернистым загрузочным материалом, так как будет неизбежным их заиливание биопленкой и нарушение нормальной работы. В этом случае рекомендуется применять аэротенки.

Прирост биомассы трудно определить расчетом, поэтому его устанавливают экспериментально при изучении сточных вод и выяснении возможных, наи­более эффективных методов их очистки или принимают по данным эксплуа­тации очистных сооружений для аналогичных сточных вод. При ориентировоч­ных расчетах можно пользоваться (по данным ВНИИ ВОДГЕО) уравнением

Пр = (ХПК — БПКп(ші), (4.81)

где Пр — прирост биомассы активного ила в аэротенках, рассчитанных на полную очистку; К — коэффициент пропорциональности, характеризующий количество ила; для промышленных сточных вод К= 0,1-0,9, или уравнением

Пр = (ХПК — ХПКо — БПК — БПКо- а)/г, (4.82)

ще ХПК, ХПКо•— химическая потребность кислорода соответственно в не­очищенной и очищенной воде; БПК^ ЬІ і К — биологическая потребность ки­слорода соответственно в неочищенной и очищенной воде; а — убыль био­массы активного ила вследствие автолиза за время пребывания жидкости в аэротенке; г — ХПК 1 мг биомассы активного ила.

О возможности очистки производственных сточных вод судят по многим показателям качественной и количественной их характеристики. Основными из них являются:

• способность органических веществ сточных вод биохимически окислять­ся; эта способность определяется по соотношению ВПК и ХПК;

• концентрация загрязняющих веществ;

• наличие в сточных водах необходимых для микроорганизмов питательных веществ (азота, фосфора, калия);

• наличие и концентрация веществ, способных оказывать токсическое воз­действие на микроорганизмы;

• активная реакция сточных вод.

Первым этапом подготовки производственных сточных вод любого вида к последующей их очистке следует считать, возможно, полное извлечение из них ценных примесей, например: фенолов щелочей купороса — из стоков тра­вильных цехов и т. д. В результате не только собирается ценное сырье, но и снижается общая загрязненность стоков.

Часто предварительная подготовка производственных сточных вод к биоло­гической очистке сводится к снижению начальной концентрации в них загряз­няющих веществ примерно до 1 г/дм3. В этих случаях ограничиваются разбав­лением концентрированных стоков.

Сильнощелочные или кислые производственные стоки нередко приходится предварительно нейтрализовать до оптимального значения активной реакции 6,5-8,5.

Отрицательное влияние на ход биологических процессов оказывает нали­чие в сточиых водах нерастворенных примесей, особенно таких, как нефть, масла, смолы и др. Возможно полное удаление их необходимо предусматривать при предварительной обработке производственных стоков, направляемых на биологическую очистку; остаточное количество взвешенных веществ не дол­жно превышать 150 мг/дм3 независимо от химической природы примесей.

Ограничивается также концентрация растворенных солсй: общее их ко­личество, как правило, не должно превышать 10 г/дм3, хотя из практики извест­но, что биологическая очистка успешно протекает и при значительно более высокой концентрации солей.

Одной из особенностей производственных сточных вод является сложность и непостоянство их состава. Эту особенность необходимо учитывать при вы­боре типа окислителей и технологической схемы их работы. Так, например, при очистке стоков с резкими колебаниями их состава необходимо иметь в виду возможность периодических нарушений нормальной жизнедеятельнос­ти микроорганизмов-минерализаторов и снижение эффекта биологической очистки. Поэтому следует предусматривать возможность регулирования на­грузки (по загрязняющим веществам) на очистные сооружения, которая долж­на соответствовать изменившемуся составу сточных вод, а также меры по вос­становлению жизнедеятельности микроорганизмов.

Особенно важное значение при биологической очистке имеет регулирова­ние количества биомассы и сохранение ее активности. В аэротенках это дос­тигается регенерацией циркулирующего активного ила. Наличие регенераторов в комплексе сооружений очистной станции исключает вероятность выхода из строя на длительный период биоокислителей при попадании в сточную воду каких-либо веществ, оказывающих токсичное действие на микронаселение окислителей.

Немаловажное значение имеет также другая особенность производственных стоков — наличие в них загрязняющих веществ, окисляющихся с различной скоростью и требующих для окисления различные количества кислорода. С этим связана неравномерность потребления кислорода в процессе очистки. Скорость его потребления зависит от ряда факторов, в том числе от характера загрязнений сточных вод, и пропорциональна биомассе микроорганизмов, осу­ществляющих окисление. Следует иметь в виду, что даже при одинаковой био­массе она может быть весьма различной.

В меньших пределах колеблется биомасса микробиального комплекса (ак­тивного ила в аэротенках или биопленки в биофильтрах). Оптимальная концен­трация активного ила для производственных сточных вод большинства видов, как показывает практика их очистки, 2,5-3 г/дм3. Определение ее теоретиче­ским путем крайне затруднено вследствие большого числа определяющих фак­торов.

Снабжать биоокислители кислородом воздуха следует непрерывно. Общее его количество, подаваемое в сооружение, должно быть таким, чтобы в выхо­дящей из вторичного отстойника очищенной воде было не менее 2 мг/дм3 ки­слорода.

Скорость и полнота процесса биологической очистки зависят от темпера­туры среды, в которой он происходит, поэтому температура сточных вод, по­ступающих в биоокислители (биофильтры и аэротенки), должна быть не ниже б °С и не выше 40 °С.

Степень очистки воды в биоокислителях любого типа зависит от начальной концентрации поступающих на них сточных вод, поэтому предварительной их очистке следует уделять большое внимание.

Необходимая продолжительность аэрации в обоих случаях 10-20 мин при интенсивности 5-10 м3/ч на 1 м2 площади аэратора (в плане). Расход (воздуха на 1 м3 аэрируемой жидкости составляет 0,3-0,5 м3. Эффект снижения началь­ной концентрации нерастворенных примесей таким путем удастся увеличи­вать 10-25%, примерно на столько же снижается количество органических веществ.

Высококонцентрнрованные по органическим веществам сточные воды, до подачи их на биоокислители можно подвергать сбраживанию в метантенках. Целесообразность такой предварительной обработки производственных сто­ков н ее эффективность определяются в каждом случае экспериментально, так как общих для всех видов стоков количественных показателей пока не уста­новлено.

Если по характеру заірязненин производственных сточных вод к ним при­мени мы те же методы очистки, что и к бытовым водам, то по технико-эконо­мическим показателям возможна совместная их обработка.

Для биологической очистки производственных сточных вод могут быть при­менены все известные методы очистки в естественных и искусственных ус­ловиях, используемые для обработки бытовых и городских сточных вод, в том числе и почвенные. Однако применение почвенных методов связано с рядом ограничений, обусловленных количеством и характером сточных вод, санитар­но-гигиеническими требованиями и способами утилизации.

По масштабам применимости метод почвенной очистки значительно усту­пает методам искусственной биологической очистки и, кроме того, очистка на полях орошения и фильтрации использовалась ранее только для бытовых и городских (смешанных) сточных вод, а не для чисто производственных. Послед­нее обстоятельство обусловлено большим абсолютным количеством последних на современных предприятиях, малой пропускной способностью единицы площади полей, непостоянством состава сточных вод и возможным присутст­вием в них токсичных примесей. Затруднения возникают прн выборе площад­ки для устройства полей из-за высоких требований в отношении защиты окру­жающей природной среды, предусматривающих, в частности, полное исклю­чение возможности попадания сточных вод с полей в водоносные слои, исполь­зуемые в качестве источников водоснабжения.

Пригодной для орошения всех культур считается сточная вода с уровнем засоленности до 300 мг/дм3. При содержании солей 400-600 мг/дм3 сточная вода может быть использована только на почвах с хорошей структурой, а при концентрации свыше 600 мг/дм3 применение этой воды для орошения уже край­не ограничено. Степень минерализации городских сточных вод колеблется от 400 до 800 мг/дм3, а во многих производственных сточных водах достигает 1000-3000 мг/дм, что существенно ограничивает возможность почвенного орошения.

В почвенно-климатических условиях учитываются: тип грунта, рельеф ме­стности, уровень залегания подземных вод, среднегодовое количество осад­
ков, продолжительность вегетационного периода и т. п. Уклон рельефа мест­ности не должен превышать 0,02-0,03, уровень подземных вод не должен на­ходиться на глубине, меньшей 1,25 м от поверхности земли, количество осад­ков не должно превышать 500 мм в год. Исключается возможность примене­ния полей орошения при средней годовой температуре ниже 6 °С и на тяже­лых грунтах глинах, тяжелых суглинках, супесях, плотных известняках и т. п.

Установлено, что наибольшая гигиеническая и экономическая эффективность использования сточных вод для нужд сельского хозяйства достигается при уст­ройстве полей орошения в южных и юго-восточных районах нашей страны.

Сооружения почвенной очистки сточных вод по мощности разделяют на малые, средине и крупные с расчетной пропускной способностью 0,5-25 и 25 700, 1400-10000 и 17000-80000, 100000-280000 м3/суг.

Малые сооружения имеют много разновидностей: площадки подземного орошения (ППО), площадки подземной фильтрации (ППФ), фильтрующие ко­лодцы (ФК), фильтрующие траншеи с естественным илн искусственным сло­ем грунта (ФТ) и песчано-гравийные фильтры (ГІГФ). Малыми сооружениями могут считаться и небольшие поля подземного орошения или подземной фильтрации. Самыми крупными сооружениями являются коммунальные поля орошения (КПО), земледельческие поля орошения (ЗПО) и поля наземной фильтрации (ПНФ).

Из всех способов орошения подпочвенное (рис. 4.58) наиболее удовлетворя­ет эпидемиологическим, санитарно-техническим, агроэкономическнм, эсте­тическим и водохозяйственным требованиям.

По пропускной способности для очистки производственных сточных вод, по-видимому, наиболее подходят средние сооружения 1,4-10 тыс. м3/сут и го-

7

/

I 1 I

Рис. 4.58. Схема очистных сооружений с полями орошения: / канализационный коллектор, 2 резервуар-накопитель; 3 насосная станция; 4 — напорный трубопровод; 5 подпочвенный рас­пределительный трубопровод; 6 — подпочвенный увлажнитель; 7 гидрант-водоспуск; 8 коит — рольпо-веитиляционньш стояк

рсдские на 17-80 тыс. м3/сут. Поэтому наибольший интерес представляют ПНФ, а также КПО и ЗПО.

Схема очистных сооружений с малыми ПНФ показана на рис. 4.59. В сис­тему сооружений предварительной механической очистки входят решетка, песколовка и двухъярусный отстойник. Предусматриваются вывоз и обезвре­живание песка, а также обезвреживание осадка из отстойников от патогенной микрофлоры и яиц гельминтов. Как самый доступный метод обезвреживания применяют иловые площадки с длительным хранением на них осадка (не ме­нее 2 лет). Схемы сооружений с малыми ПНФ разработаны в нескольких ва­риантах. Один из них предусматривает круглогодичный прием сточных вод с сезонным регулированием и

Полив осуществляется только в вегетационный период, в остальное время года сточные воды должны поступать в пруды — накопители вместимостью, равной 6-месячному накоплению в них веды. В качестве системы орошения в последние годы предложено попользовать передвижное ирригационное обору­дование.

Рис. 4.59. Схема очистных сооружений с малыми полями наземной фильтрации производительнос­тью 100 м /сут: 1 — — канал изацношіьій коллектор; 2 — канализационный колодец; 3 — решетка; 4 установки утилизации или обезвреживания отбросов; 5 — песколовка; б — песковая площадка; 7— двухъярусный отстойник; 8 иловые площадки; 9 — распределительное устройство; 10 — карты полей фильтрации

Рис. 4.60. Схема очистных сооружений с малыми полями орошения; 1 — канализационный коллек­тор: 2 канализационный колодец; 3 решетка; 4 — установки утилизации или обезвреживания отбросов; 5 — — двухъярусный отстойники; С ~ иловые площадки; 7 — распределительной устрой­ство; 8 — поля орошения; Р — пруды-накопители

Рис. 4.61. Схема биологического фильтра: 1—под­вод сточной йоды; 2 — иодораспределнтелыюе ус­тройство; 3—фильтрующая загрузка; 4—дренаж­ное устройство; 5 — очищенная сточная вода; 6— вентиляционное устройство

Схема очистной станции с большими полями орошения показана на рис. 4.61. Сточная жидкость подается на эти поля после механической очистки. Осадки обрабатываются в метантенках. Вода с полей отводится через дренажную си­стему. Поскольку сточные воды для полива можно использовать только в оп­ределенный период, более перспективной в настоящее время считается систе­ма с частичным использованием биологически очищенной воды для орошения.

Биологические пруды — искусственно созданные водоемы, в которых для очистки сгочных вод используются естественные процессы.

Различают пруды с естественной и искусственной аэрацией; эти две раз­новидности прудов называются соответственно аэробно-анаэробными, а так­же факультативными и аэробными лагунами. Режим в лагуне аэробно-анаэ­робный, если аэрация обеспечивает наличие растворенного кислорода только в поверхностных слоях воды. Искусственную аэрацию можно осуществлять с помощью механических аэраторов или путем продувки воздуха через толщу воды. Наиболее эффективно окислительные процессы в прудах проходят в летнее время, кроме того, в это время выходящая из пруда вода не содержи! патогенной микрофлоры. Полагают, что бактерицидным действием на пато­генную микрофлору обладают метаболиты (продукты жизнедеятельности) ряда одноклеточных водорослей и высшей водной растительности. В связи с этим хлорировать очищенную в прудах воду требуется преимущественно в зимнее время года для лучшего прогрева воды, ее освещения и аэрации пруды с есте­ственной аэрацией устраивают неглубокими (1 м). При наличии механичес­ких аэраторов глубину пруда увеличивают до 3 м, чтобы предохранить его дно от размыва. Пруды с искусственной аэрацией устраивают из нескольких па­раллельных каскадов (до трех-пяти, но не менее двух); после прудов рекомен­дуется выделять отстойные секции и предусматривать их очистку.

Применение искусственной аэрации в прудах значительно ускоряет процессы очистки воды, но вследствие малой скорости окисления необходимая продол­жительность пребывания воды в прудах все же очень высока.

В окислительных процессах существенную роль играет водная раститель­ность, которая способствует снижению числа биогенных элементов и регулиру­ет кислородный режим водоема.

Если требуется глубокая очистка стоков, воду из прудов дополнительно очи­щают фильтрованием на песчаных фильтрах.

Допустимая нагрузка на поля фильтрации зависит от многих факторов (кли­матических условий региона, структуры почвы и фильтрационной ее спо­собности, от уровня грунтовых вод, а также от характера загрязнений сточных вод и их концентрации) и поэтому колеблется в весьма широких пределах — 50-200 м3 на 1 га в сутки. Нагрузка по количеству загрязняющих веществ, оцениваемому по БПКп(ш], принимается равной 20-80 кг/га. Точно она уста­навливается по результатам натурных обследований.

Степень очистки сточной жидкости в пруду зависит от количества очищае­мой воды, ее начальной загрязненности по ВПК и от свойств загрязняющих веществ, характеризуемых константой скорости потребления кислорода или, как ее называют, коэффициентом неконсервативности.

Движущийся поток занимает только часть общего о&ьема пруда, не захва­тывая так называемые «мертвые» зоны. Доля о&ьема пруда, приходящаяся на активную часть, зависит от конфигурации пруда в плане. В прудах, имею­щих изрезанные берега и переменную ширину, доля активного объема мо­жет составить 0,4—0,6 общего объема пруда. Если под пруд использованы балки или овраги, имеющие большую протяженность при относительно по­стоянной и небольшой ширине, то можно принимать долю активного объема равной 0,8-0,9.

Такое же значение может быть принято и для искусственных прудов пра­вильной прямоугольной формы. При равномерном распределении и сборе воды по ширине секций пруда с помощью дырчатых трубопроводов сумма площа­дей сечения всех отверстий дырчатого трубопровода должна составлять ~0,3 площади его сечения.

Существенным недостатком прудов с естественной аэрацией является по­требность в больших площадях. Значительное сокращение площади биологиче­ского пруда достигается применением искусственной аэрации. В таких прудах аэрационными устройствами (поверхностными механическими аэраторами, дырчатыми пневматическими аэраторами) создается постоянное движение во­ды, в 5-7 раз увеличивающее коэффициент неконсервативности.

Кроме того, значительному снижению объема пруда способствует его мно­гоступенчатость. Поэтому стремятся к тому, чтобы биологический пруд с ис­кусственной аэрацией состоял из нескольких окислительных ступеней, жела — те їьно не меньше трек-четырск. При этом на каждой ступени организуют аэри­рование воды с помощью барботеров различных конструкций.

Аэраторы, особенно с ротором большого диаметра (2-2,5 м), создают мощные циркуляционные потоки, способные размывать дно пруда. Поэтому глубину пруда с механическими аэраторами следует принимать не менее 3-4 м. Если дно пруда имеет малую прочность, устанавливают аэраторы меньшей мощности или соот­ветствующий образом укрепляют дно пруда под аэратором.

Для прудов с искусственной аэрацией впускные и выпускные устройства могут быть любой, самой упрощенной конструкции, поскольку полное исполь­зование объема прудов обеспечивается аэрационными устройствами.

Если позволяют местные условия, то воду, выходящую из прудов (с есте­ственной или искусственной аэрацией), следует фильтровать через заросли высшей водной растительности (камыши, тростник, рогоз), что повышает глу­бину очистки воды. Высшая водная растительность в период вегетации практи­чески полностью извлекает из воды соединения азота, чем защищает водоем (приемник сточных вод) от эвтрофикации, а технологическую аппаратуру (при повторном использовании очищенных вод) — от обрастания.

Водную растительность можно размещать в последних ступенях пруда — у выхода веды и за пределами пруда—в староречье, на мелководье, на заболочен­ных территориях.

При расчетах принимают, что нагрузка по воде может составлять 20000 м31 сут на 1 га при размещении 100-200 стеблей на 1 м.

Численность водной растительности необходимо регулировать, поскольку она способна разрастаться. В благоприятных условиях численность рас­тительности регулируют растительноядными рыбами (белый амур, пестрый амур, толстолобик и др.). Предполагается, что уровень растительности останет­ся неизменным, если принять 5 экз. взрослых особей рыбы на 1 га зарослей растительности.

Если же условий для жизни растительноядных рыб в пруду нет, то следует

периодически выкашивать излишнюю растительность.

Во всех случаях необходимо предусматривать хлорирование воды, которое можно использовать в любой момент времени. Хлор желательно вводить в воду по выходе ее из биологического пруда.

Биофильтры. Биологический фильтр (биофильтр) — сооружение, в котором сточная вода фильтруется через загрузочный материал, покрытый биологиче­ской плёнкой (биопленкой), образованной колониями микроорганизмов (рис. 4.62.)

Биофильтр состоит из следующих частей:

• фильтрующей загрузки, помещенной в резервуар в плане круглой или

прямоугольной формы;

• водораспределительного устройства, обеспечивающего равномерное оро­шение сточной водой поверхности загрузки биофильтра;

• дренажного устройства для удаления очищенной сточной воды;

• вентиляционного устройства, с помощью которого поступает необходимый для окислительного процесса воздух.

Толщина образующейся биоплёнки зависит от гидравлической нагрузки, концентрации органических веществ, от пористости и удельной поверхности загрузочного материала, влияния внешней среды и многих других факторов. До настоящего времени до конца не изучены процессы, протекающие в раз­личных слоях биопленки, взаимовлияние анаэробного и аэробного слоев на эффективность функционирования сооружения, вместе с тем известно, что толщина анаэробного слоя значительно больше аэробного. В нормально рабо­тающем биофильтре общая толщина слоя биоплёнки может составлять от мик­рон в верхних его слоях до 3-6 мм в нижних.

Процессы сорбции и деструкции загрязнений сточных вод в биологических фильтрах во многом сходны с процессами очистки сточных вод в других соору­жениях биологической очистки, и, в первую очередь, в сооружениях почвен­ной очистки на полях орошения и полях фильтрации.

В качестве фильтрующего материала для загрузки биофильтров применя­ется шлак, щебень, керамзит, пластмасса, гравий и т. п. Обіцие требования к загрузочным материалам — водоустойчивость, устойчивость к специфичес­ким загрязнениям стоков и достаточная прочность. При выборе загрузки предпочтение следует отдавать материалам с развитой поверхностью (шлак, керамзит, кольца и решетки из пластмассы).

По способу поступления воздуха в толщу загрузки биофильтры делят на со­оружения с естественной и принудительной подачей воздуха.

Биофильтры с естественной подачей воздуха применяют для очистки не­большого количества сточных вод (до 1000 м3/сут). Для очистки сильно концен­трированных производственных вод и вод, содержащих вещества, обусловли­вающие большой прирост биопленки, применять биофильтры с естественной подачей воздуха не рекомендуется, так как при допустимой по действующим нормам гидравлической нагрузке на 1 м2 площади поверхности они быстро заиливаются.

Очищаемая сточная вода подается на биофильтры непрерывно или перио­дически с продолжительностью цикла (наполнение и опорожнение дозирующе­го бачка) 5-10 мин. Увеличение промежутка времени между двумя орошения­ми неблагоприятно отражается на процессе биологической очистки, так как биопленка не получает вовремя необходимое питание.

Распределение воды по поверхности биофильтра должно быть максимально равномерным, что достигается применением подвижных оросителей. Менее равномерное орошение получается при использовании неподвижных оросите­лей (спринклеры, качающиеся желоба).

Нормальный ход процесса биологической очистки сточных вод устанав­ливается после того, как на загрузочном материале биофильтра образуется био­логическая пленка, микроорганизмы которой адаптировались к органическим веществам очищаемых сточных вод. Период адаптации к различным видам органических загрязнений сточных вод, поступающих на биофильтр, может длиться 2-4 недели в зависимости от вида загрязнения и температуры сточ­ных вод; для некоторых производственных сточных вод он длится несколько месяцев.

Биологическая пленка в биофильтрах растет с разной скоростью — на по­верхности быстрее, чем в глубине, что также зависит от состава очищаемой воды и концентрации органических загрязнений.

По мере увеличения толщины пленки происходит отмирание нижних ее слоев и смыв их с поверхности загрузки биофильтра. При правильно принятой на­грузке на биофильтр процессы отмирания и нарастания биологической плен­ки идут параллельно, поэтому заиливание и заболачивание биофильтров не происходит.

Технологический расчет биофильтров производится по окислительной мощ­ности ОМ, под которой понимается количество кислорода, которое может быть получено в сутки сім3 загрузочного материала биофильтра; выражается она в граммах ВПК.

Производительность биофильтров по кислороду ОМ и по допустимой гид­равлической нагрузке в значительной мере зависит от суммарной площади поверхности зерен загруженного материала, от обеспеченности ее аэрацией и от непрерывности удаления отмирающей биопленки. Наиболее высока произ­водительность биофильтров с принудительной подачей воздуха: аэрофильт­ров или, как их часто называют, высоконагружаемых биофильтров и башен­ных биофильтров. Диаметр зерен загрузочных материалов в этих сооружениях принимаегся не менее 50-60 мм.

Окислительная мощность высоконагружаемых биофильтров значительно (в

2- 3 раза) выше, чем обычных, работающих в одинаковых с ними условиях, при одинаковой степени очистки сточных вод (ВПК очищенной воды 10-15 мг/ дм3). Примерно такие же показатели работы имеют башенные биофильтры без принудительной их вентиляции.

Для загрузки биофильтров в последнее время находят применение синте­тические материалы — пластмассы, изготовленные в виде пластин, решеток, колец и т. п.

При очистке высококонцентрированных сточных вод требуется их разбав­ление перед подачей на биофильтры. В качестве разбавляющей может исполь­зоваться любая практически чистая вода; наиболее целесообразно использо­вать для этого очищенную воду, т. е. предусматривать рециркуляцию.

При повышенных требованиях к качеству очищенных стоков применяют двухступенчатую схему работы биофильтров, причем первую ступень рассчи­тывают на неполную очистку (до БПК = 50 мг/дм3).

Аэротенки. Для биологической очистки значительных количеств воды наи­более часто применяют аэротенки различных видов, которые отличаются друг от друга иногда весьма существенными элементами. Общим для всех аэро — тенков является принцип их работы, а также то, что они дают возможность эффективно влиять на скорость и полноту протекающего в них биохимичес­кого процесса. Аэротенки можно классифицировать по следующим основ­ным признакам:

• по структуре потока — аэротенки-вытеснители, аэротенки-смесители и аэ­ротенки с рассредоточенным впуском сточной жидкости, так называемые аэро­тенки промежуточного типа.

• по способу регенерации активного ила — аэрогенки с отдельно стоящими регенераторами ила, аэротенки, совмещенные с регенераторами.

• по нагрузке на активный ил — высоконагружаемые, обычные и низконаг — ружаемые.

• по числу ступеней — одно-, двух — и многоступенчатые.

• по конструктивным признакам — прямоугольные, круглые, комбинирован­ные, противоточные, шахтные, фильтротенки, флототенки и др.

• по типу систем аэрации — с пневматической, механической, комбиниро­ванной гидродинамической или пневмомеханической.

Современный аэротенк представляет собой гибкое в технологическом от­ношении сооружение. Аэротенки могут быть успешно применены дм полной или частичной очистки многих видов производственных сточных вод в широ­ком диапазоне концентраций загрязнений и расходов сточных вод.

Аэротенк ячеистого типа представляет собой прямоугольное в плане соору­жение, разделенное на ряд отсеков поперечными перегородками. Смесь, из первого отсека переливается во второй (снизу), из второго — в третий (сверху) и т. д. В каждой ячейке устанавливается режим полного смешения, а сумма ряда последовательно расположенных смесителей составляет практически идеальный вытеснитель.

Сточная вода и ил в аэротенках-смесителях подводятся и отводятся равно­мерно вдоль длинных сторон сооружения. Принимается, что поступающая смесь очень быстро (в расчетах мгновенно) смешивается с содержимым всего

сооружения.

В аэротенках промежуточного типа можно рассредоточено подать либо воду, либо ил с отводом смеси сосредоточенно в конце аэротенка. На практике при­меняется первый тип — с рассредоточенной подачей воды.

Рис. 4.63. Технологические схемы работы аэротенков: а — аэротенки с дифференцированной леда­чей воздуха; б — аэротенк-смсаггель с рассредоточенной подачей сточном воды и активного ила; в — аэрстенк-смеситель с дифференцированной подачей сточной воды; г—аэротенки с регенерато­рами активного ила; / — водоподающий канал; 2 — первичный отстойник; 3 — аэротенки; 4 — вторичные отстойники; 5 — трубопровод избыточного ила; б— трубопровод очищенной воды; 7 — регенераторы

В аэротенках с разными структурами потока существенно различны и ус­ловия развития популяции микроорганизмов.

Если БПК очищаемых сточных вод не превышает 500 мг/дм3 применяют со­оружения с сосредоточенной подачей смеси сточной жидкости н активного ила в начале сооружения, так называемые аэротенки — вытеснители. Воздух в них распределяется равномерно по всей длине сооружения или подается в бсмыием количестве в его начале (рис. 4.63, а).

При очистке более концентрированных стоков, особенно стоков с резко ко­леблющимся составом, применяют аэротенки — смесители. Этот тип сооруже­ний обеспечивает практически полное выравнивание скорости потребления кислорода во всех точках по живому сечению и длине аэротенка, что способ­ствует более полному использованию подаваемого воздуха и повышает об­щий эффект очистки. Такие условия создаются при децентрализованном впуске сточной жидкости и активного ила или при децентрализованном впуске сточ­ной жидкости и централизованной подаче ила.

В первом случае впускные устройства располагаются на расстоянии 3-4 м друг от друга; через такие же интервалы подается активный ил. Выпуск очи­щенной воды производится с противоположной впуску стороны. Воздух рас­пределяется равномерно по длине аэротенка.

Во втором случае очищаемая вода подается рассредоточение в первою (от начала) половину по длине аэротенка. Впуск производится в четырех зонах, причем в первую (от начала) поступает 10 % общего количества сточных вод; во вторую и третью — по 35 %, в четвертую зону—20 % (рис. 4.63, в). Актив — ный ил подается централизованно в начале аэротенка, а воздух —-равномерно по его длине.

Аэротенки с регенераторами активного ила показаны на рис. 4.63, г. Дис­пергирование воздуха в очищаемой сточной жидкости производится в ос­новном с помощью механических или пневматических аэраторов; совмест­но их используют реже. Механическую аэрацию сточных вод применяют на очистных станциях небольшой производительности (до 10000 м3 сточных вод в сутки). Опыт показал, что насыщенность воды воздухом при механи­ческой аэрации значительно (в 2-3 раза) выше, чем при пневматической че­рез фильтросиые пластины.

Механическая аэрация в последнее время получила большое распростра­нение. Разнообразие конструктивных видов применяемых механических аэра­торов и зависимость показателей их работы от местных условий позволяют отметить лишь общее преимущество аэраторов поверхностного типа.

Из пневматических аэраторов некоторые эксплуатационные преимущества (более полная регенерация) имеют тканевые аэраторы.

Окислительная мощность аэротенков, как уже отмечалось, в значительной мере определяется концентрацией в них активного ила. При очистке производ­ственных сточных вод доза ила обычно составляет 2—3 г/дм3, считая по сухому веществу. Некоторые виды стоков, как правило, слабоконцентрированных, можно очшцать и при значительно меньших дозах без снижения ОМ и общего эффекта очистки.

При концентрациях активного ила 4 г/дм3 и более возникают затруднения с разделением иловой смеси в обычных отстойниках, вместо которых прихо­дится применять отстойники со взвешенным слоем, фильтры, центрифуги др. Это в какой-то мере ограничивает применение высоких доз активного ила, хотя ОМ аэротенков при таких дозах значительно возрастает.

Предельная начальная концентрация органических загрязнений, содержа­щихся в смеси сточных вод, не должна превышать 1000 мг/дм3.

Скорость окисления органических веществ в азротенке-смесителе, необхо­димая продолжительность аэрации и удельный расход воздуха на очистку 1 м3 сточных вод зависят от многих факторов: от природы органических загрязне­ний, находящихся в сточных водах; от концентрации активного ила, адаптиро­ванного к данным органическим загрязнениям; от количества кислорода в аэро — тенке-смесителе; от температуры сточных вод и от pH.

Активный ил в аэротенках сорбирует различные по скорости окисления заг­рязняющие вещества. Наиболее трудно окисляемая часть их постепенно на­капливается в иле, что приводит к снижению его активности и к ухудшению работы аэротенков.

Регенерация ила достигается при уменьшенных нагрузках загрязнений на единицу его объема и длительной аэрации в специально приспособленных дая этой цели регенераторах. Под регенераторы выделяется часть (обычно 25-50 %,

Рмс. 4.64. Протиноточный аэротенк: / •— зоны аэрации; 2 — пористые аэраторы; 3 —• зоны циркуля­ции; 4 — эрлифты; 5 — струенаправляющие лопатки; 6 — зона отстаивания; 7 — водоотаоцящий лоток; 8 — подвод смеси очищаемой воды и активного ила

реже 75 %) полезного объема самого аэротенка. По восстановлении акт ивности ил направляется в аэротенки (см. рис. 4.63, г).

С увеличением продолжительности контакта воздуха с очищаемой сточной жидкостью в биологических окислителях значительно повышается коэф­фициент использования кислорода; повышается также окислительная мощ­ность окислителя. Особенно удачно эта зависимость использована в конструк­циях противогочных аэротенков. Схема такого аэротенка приведена на рис. 4.64.

Прямоугольный в плане аэротенк разделен продольными перегородками на три основные зоны: аэрации, циркуляции и отстаивания. Очищаемая сточная вода подается в аэротенк рассредоточено, причем впускные устройства распо­лагаются через 4-6 м по всей длине сооружения. Циркуляционный поток ило­вой смеси создается с помощью эрлифта, расположенного в верхней части зоны циркуляции. Равномерное распределение смеси обеспечивается струенаправ­ляющими лопатками.

Доза активного ила и концентрация растворенного кислорода в противо — точном аэротенке примерно вдвое выше, чем в аэротенках-вытесиителях: доза активного ила 5-6 г/дм3, кислорода 6-8 г/дм3.

Метантвнки — сооружения, предназначенные для стабилизации осадков, отделяемых в процессах очистки сточных вод. Одновременно в зависимости от принятой технологии в той или иной степени обеспечивается обеззаражи­вание осадков. Биохимический процесс стабилизации осуществляется в анаэ­робных условиях и представляет собой разложение органического вещества осадков в результате жизнедеятельности сложного комплекса микроорганиз­мов до конечных продуктов, в основном метана и диоксида углерола.

Биохимия и микробиология анаэробного метанового сбраживания сложнее, чем аэробных процессов. До настоящего времени нет полной ясности от­носительно роли и степени участия в нем разных групп микроорганизмов, од­нако, очевидно, что в отличие от активного ила, биоценоз метантенка представ­лен только бактериями.

Согласно современным представлениям анаэробное метановое сбраживание включает четыре взаимосвязанные стадии, осуществляемые разными группами бактерий.

• стадия ферментативного гидролиза осуществляется быстрорастущими фа­культативными анаэробами, выделяющими экзоферменты, при участии которых осуществляется гидролиз нерастворенных сложных органических соединений с образованием более простых растворенных веществ. Оптимальное значение pH для развития этой группы бактерий находится в интервале 6,5-7,5.

• стадия кислотообразования (кислотогенная) сопровождается выделением летучих жирных кислот, аминокислот, спиртов, а также водорода и углеки­слого газа. Стадия осуществляется быстрорастущими, весьма устойчивыми к неблагоприятным условиям среды гетерогенными бактериями.

• ацетатогенная стадия превращения ЛЖК, аминокислот и спиртов в ук­сусную кислоту осуществляется двумя труппами ацетатогенных бактерий. Пер­вая труппа, образующая ацетаты с выделением водорода из продуктов предше­ствующих стадий, называется ацетатогенами, образующими водород:

СН3СН2СООН + 2Нр -> СН3СООН + С02 + ЗН2, (4-83)

Вторая, также образующая ацетаты и использующая водород для восстанов­ления диоксида углерода, называется ацетатогенами, использующими водо­род:

4Н2 + 2С02 -» СН3СООН + 2Н20, (4-84)

• метаногенная стадия, осуществляемая медленнорастущими бактериями, яв­ляющимися строгими анаэробами, весьма чувствительными к изменениям условий среды, особенно к снижению pH менее 7,0-7,5 и температуры. Раз­ные группы метаногенов образуют метан двумя путами:

расщеплением ацетата:

СН, СООН -> СН4 + С02, (4-85)

восстановлением диоксида углерода:

С02 + Н2->СН4 + Н20, (4.86)

По первому пути образуется 72 % метана, по второму — 28 %.

Таким образом, анаэробное разложение органических веществ осуществля­ется сообществом микроорганизмов, составляющих трофическую цепь пер­вичных и вторичных анаэробов. В отличие от трофических цепей микроорга­низмов в аэробных условиях, где взаимоотношения между группами организ­мов характеризуются отношением «жертва — хищник», для трофических сис­тем при метановом сбраживании характерно использование продуктов мета­болизма одних групп бактерий другими. Первичные фа^льтативные анаэро­бы осуществляют стадии гидролиза и кислотообразования, вторичные ■— ста­дии ацетатогенеза и метаногенеза на субстратах, образующихся первичными анаэробами.

К вторичным анаэробам относятся и сульфатредуцирующие бактерии, рабо­тающие параллельно метаногенам и использующие продукты первых стадий процесса. При низком содержании сульфатов работают в основном метано — гены с образованием СН4 и С02 и незначительного количества H2S. При повы­шении концентрации сульфатов до 0,5 ммоль/дм3 супьфатвосстанавливающие бактерии конкурируют с ыетаногенами за энергетические субстраты (Н2 и аце­тат) и образуют значительное количество сульфидов, ингибирующих рост ме- таногенов.

Все стадии анаэробного сбраживания имеют важное значение, однако оче­видно, что последующие стадии не могут начаться, пока для них не будут под­готовлены условия предыдущим ходом процесса. Поскольку ацетогены и осо­бенно метаногены имеют более низкие скорости роста по сравнению с гидро­литическими бактериями и более чувствительны к условиям процесса, то ста­дия образования метана оказывается существенно зависимой от этих условий.

Помимо трофических связей между группами бактерий в процессе метано­вого брожения должны осуществляться и физические взаимодействия, в том числе необходим непосредственный контакт гидролитических бактерий с твер­дым гидролизуемым субстратом и пространственный симбиоз ацетатогенов и метаногенов с субстратом. Разрыв этих связей, вызванный, например, сильными динамическими нагрузками при интенсивном перемешивании, оказывает от­рицательно е воздействие на эффективность процесса.

Поэтому для создания сбалансированной и эффективно работающей системы метанового сбраживания осадка всегда необходимо рассматривать не отдельные группы бактерий, а все сообщество в целом в конкретных условиях его суще­ствования.

Эффективность процесса анаэробного сбраживания оценивается по степени распада органического вещества, количеству и составу образующегося биога­за, которые, в свою очередь, определяются химическим составом осадка, а также такими основными технологическими параметрами процесса, как доза заірузки метантенка, температура, концентрация загружаемого осадка. Кроме того, существенную роль играют такие факторы, как режим загрузки и вьирузки осадка, система его перемешивания и др.

В органическом веществе основную часть (до 80 %) составляют жиры, бел­ки и углеводы. Именно за счет их распада образуется все количество выделяю­щегося биогаза, в том числе 60-65 % за счет распада жиров, остальные 40- 35 % приходятся примерно поровну на долю углеводов и белков. Отсюда сле­дует, что при сбраживании осадков первичных отстойников, содержащих боль­ше жиров, образуется больше газа, чем при сбраживании активного ила, в ко­тором больше белков. Даже при очень длительной продолжительности пребы­вания осадка в метантенке указанные компоненты органического вещества распадаются не полностью. Имеется максимальный предел сбраживания и, следовательно, максимальный выход газа с единицы распавшегося вещества, которые существенно различны у жиров, белков и углеводов. Различен и со­став выделяющегося газа.

Пределы распада не зависят от температуры, но скорости распада каждого компонента с повышением температуры возрастают.

Зная содержание в осадках жиров, белков и углеводов, можно рассчитать практический предел сбраживания каждого осадка, который может быть достигнут при бесконечном пребывании его в метантенке.

Наибольшее практическое применение в обогреваемых метантенках нашли два температурных режима: мезофильный (32-35 °С) и термофильный (52- 55 °С).

В необогреваемых сооружениях (септиках, двухъярусных отстойниках, ос — ветлителях-перегнивателях) анаэробное брожение происходит в психрофиль — ной зоне при температурах, определяемых климатическим условиями.

В связи с этим термофильный режим сбраживания, в основном применяе­мый в нашей стране, имеет преимущества перед мезофильным, т. к. позволяет уменьшить объемы метантенков, кроме того, обеспечивает глубокое обеззара­живание осадков не только от поточной микрофлоры, но и от гельминтов. Од­нако недостатком термофильного сбраживания является низкая водоотдающая способность сброженного осадка, что требует его промывки при последую­щем механическом обезвоживании. В свою очередь, мезофильный режим сбраживания не обеспечивает обеззараживания осадка, требует больших объе­мов метантенков, но позволяет получить сброженный осадок, лучше поддаю­щийся последующему обезвоживанию.

Перемешивание содержимого метантенка необходимо проводить с целью обеспечения эффективного использования всего объема метантенка, исключе­ния образования мертвых зои, предотвращения расслоения осадка, отложения песка и образования корки, выравнивания температурного поля. Эксплуатация метантенков требует организации четкого и постоянного контроля за основными показателями процесса брожения. К этим показате­лям относятся:

• выход и состав биогаза, в котором обычно содержится 60-65 % метана, 32- 35 % диоксида углерода, атакже некоторые количества водорода, сероводорода, азота и др.;

• степень распада органического вещества;

• содержание летучих жирных кислот, аммонийного азота и щелочность иловой жидкости;

Рис. 4.65. Мстантенк; 1 — подача осадка; 2 — паровой инжектор; 3 — выпуск сброженного осадка; 4 — теплоизоляция; 5 — система сбора и отвода газа; 6 — циркуляционная труба; 7 — уровень осадка

.з

Метантенки представляют собой герметичные вертикальные резервуары с коническим или плоским днищем, выполненные из железобетона или стали.

В настоящее время разработаны типовые проекты метантенков полезным объемом 500-4000 м и диаметром 10-20 м. Для крупных очистных станций разработаны индивидуальные проекты метантенков с полезным объемом 6000 — 8000 м3.

Схема метантенка представлена на рис. 4.65. Уровень осадка поддержива­ется в узкой горловине метантенка, что позволяет повысить интенсивность газовыделения на единицу поверхности бродящей массы и предотвратить образование плотной корки.

Основными конструктивными элементами метантенков, выполняющими оп­ределенные технологические функции, являются:

• система подачи осадков на сбраживание и стабилизированного осадка;

• система подогрева;

• система перемешивания бродящей массы;

• система сбора и отвода выделяющегося газа.

С точки зрения режима подачи осадков наиболее рациональной является экс­плуатация метантенков по прямоточной схеме, при которой загрузка и выгрузка осадков происходит одновременно и непрерывна (или с минимальными пере­рывами). Такай режим создает благоприятные температурные условия в метан­тенке, так как исключается охлаждение бродящей массы вследствие залповых поступлений более холодных сырого осадка и избыточного ила. Кроме того, такой режим обеспечивает равномерность газовыделения в течение суток.

В различных конструкциях метантенков подача осадка на сбраживание мо­жет осуществляться либо через общую для всех метантенков загрузочную каме­ру, либо насосам непосредственно в каждый метантенк. В том и другом случае должна быть обеспечена равномерность распределения нагрузки между от­дельными сооружениями и возможность ее регулирования.

Осадок подают в верхнюю зону метантенка, а выгружают из самой нижней точки днища. Максимальное удаление друг от друга трубопроводов подачи и выгрузки предотвращает попадание несброжеиного осадка в выгружаемую массу. Кроме того, при постоянной выгрузке сброженной массы из нижней части удается замедлить процесс накопления песка, который вместе с осадком из первичных отстойников попадает в метантенк.

В метантенках тепло расходуется непосредственно на подогрев загружаемо­го осадка до необходимой расчетной температуры, на возмещение потерь теп­ла, уходящего через стенки, днище и перекрытие метантенка, на возмещение потерь тепла, уносимого с отводимым из метантенка газом. В отечественной практике подоірев осадка наиболее часто осуществляют острым паром.

Ранее мы упоминали о работах, проводимых в Уфе по разработке биотехно­логических способах очистки стоков, содержащих соединения тяжелых цвет­ных металлов, нефтепродуктов и др. В настоящее время в этом городе функ­ционируют две фирмы — «ЭГАСТ-ХХ1 век» и «ЭГАСТ-проект», занимающи­еся внедрением в практику подобных технологий.

Принципиальная технологическая схема очистки сточных вод сложного со­става приведена на рис. 4.66. Не вызывает сомнений тот факт, что подобные технологии чрезвычайно интересны и у них великолепное будущее. Для одно­го из уральских трубных заводов выполнен рабочий проект переработки сто­ков от травления легированных сталей. С интересом ждем его реализации и полученных результатов.

Не можем не отметить вновь появившийся интерес к методам глубокой аэроб­ной биологической очистки органосодержащих сточиых вод со значительным

Рис. 4.66. Анаэробный биохимический метод очистки сточных вод содержащих тяжелые металлы в сульфаты (для машиностроительных, приборостроительных, а также металлообрабатывающих и гор­нодобывающих предприятий): 1 — смеситель-усреднитель, 2 — биотенк, 3 — реактор, 4 — тонко­слойный отстойник, 5 — блок патронных фильтров, 6 — сборник очищенной воды, 7—шламонако — литель, 8 — вакуум-фильтр

ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ ЗАТРАТЫ ПРИ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД Вид затрат % Энергия 10 Химические реагенты (осаждение, обезвоживание осадка) 14 Обработка песка н обработка осадка 20 Заработная плата 23 Цеховые и прочие расходы 33

Таблица 4.22

РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ЗАТРАТ ПРИ ОЧИСТКЕ ПРИРОДНЫХ И СТОЧНЫХ ВОД Наименование расходов % от общего количества Электроэнергия 45 Материалы и химические реагенты 20 Амортизационные отчисления, включая капитальный ремонт 10 Расходы на собственные нужды 3 Заработная плата 12 Цеховые и прочие расходы 10

сокращением, а в отдельных случаях — с полным исключением образования избыточно активного ила (т. н. «голодные» технологии). Такие технология для различных объектов предлагает «Институт МосводоканалНИИпроект», ра­нее ГНПП «БИОКС» и ряд других фирм. Не стоит доказывать, что значитель­ное уменьшение количества отводимого активного ила имеет огромное значе­ние для всех биохимических очистных сооружений, поскольку обработка этих осадков — наиболее «тяжелая» часть очистного комплекса.

В заключении приведем интересные данные по примерным эксплуатацион­ным затратам при очистки сточных вод в ЕС (табл. 4.21), и аналогичные рос­сийские данные (табл. 4.22).

Отметим огромную разницу в расходе энергии и значительную — в заработ­ной плате. Кроме того, несопоставимы эксплуатационные затраты при полу­чении питьевой воды в ЕС-0,4-1,09 евро за 1 м3; очистка 1 м3 в ЕС лежит в пределах 1,5-2,0 евро.

Комментарии запрещены.