Био чистка сточных вод
Био чистка сточных вод
Био Чистка СТОЧНЫХ ВОД. О.В. Мосин
В сточных водах содержится непростая смесь жестких и растворенных веществ, которые находятся в очень малых концентрациях. На очистных станциях концентрации всех этих веществ понижают до применимого уровня либо химически трансформируют вредные вещества в неопасные соединения. Схема очистной станции находится в зависимости от степени загрязненности и количества обрабатываемых стоков, также от экономических и экологических суждений. Большая часть водоочистных станций, имеет много общего. Так в операциях первичной обработки убирают более просто отделяющиеся загрязнения, к примеру большие, легкоосаждающиеся частички, масляные пленки и другие «легкие» составляющие. Суспендированные твердые частички и растворимые составляющие отделяют в процессе вторичной обработки. В почти всех случаях загрязняющие вещества имеют органическую природу; в таких случаях обычно употребляют био окисление. Цель третичной обработки заключается в полном либо частичном отделении всех оставшихся примесей. На этой стадии употребляются такие физико-химические способы, как электродиализ, оборотный осмос, фильтрование через большой слой и адсорбция.
В процессе первичной обработки отделяют мокроватые концентрированные твердые вещества, именуемые илом; при вторичной обработке появляется активный клеточный ил. В этом процессе существует связь меж утилизацией субстрата и образованием биомассы. Хотя процессы вторичной био обработки с ролью огромного количества видов микробов очень эффективны при деградации разбавленных консистенций органических отходов, при расчётах следует учесть, что при всем этом появляется, и биомасса. Таким методом очень маленькие нерастворимые частички и растворенные составляющие водянистых отходов отчасти преобразуются в ил, который легче поддается отделению, чем начальные загрязняющие вещества. Установки для переработки ила являются принципиальной составной частью станций по чистке сточных вод. Для уменьшения объема ила, образующегося при чистке воды, обширно применяется операция анаэробной переработки, при которой органические вещества подвергаются био деградации в анаэробных критериях.
Но на практике все три уровня чистки сточных вод и переработки ила употребляются не всегда. Время от времени сточные воды спускают в природные водоемы (ручьи, реки, пруды, озера и океан) без обработки. В других случаях используют только первичную обработку. К примеру, для большинства городских систем водоочистки в США та либо другая форма вторичной обработки является неотклонимой, а третичная обработка в текущее время применяется только время от времени.
Главные свойства сточных вод
Природа и концентрация загрязняющих веществ в сточных водах зависят от их источника. Есть два главных вида сточных вод — промышленные и бытовые. Последние загрязнены приемущественно уличным мусором, моющими средствами и какашками.
Бытовые сточные воды обычно содержат более 99% воды, около 300 млн -1 (мг/л) суспендированных жестких веществ, также около 500 мг/л летучих веществ. Большая часть суспендированных жестких веществ имеет целлюлозную природу, а другие загрязняющие органические вещества включают жирные кислоты, углеводы и белки. Противный запах бытовых сточных вод обоснован разложением белков в анаэробных критериях.
Если учитывать происхождение бытовых сточных вод, то не умопомрачительно, что в их содержатся разные виды почвенных и пищеварительных микробов, в том числе аэробные организмы, облигатные и факультативные анаэробы, бактерии, дрожжи, плесени и грибы. Так как в бытовых сточных водах нередко находятся также патогенные организмы и разные вирусы, очень принципиальна полная изоляция источников и трубопроводов для подачи питьевой воды от загрязнения сточными водами. Популяции микробов в сточных водах служат неизменным смешанным посевным материалом для процессов био чистки и, не считая того, источником метаболической активности в стандартных способах определения степени загрязнения сточных вод.
Более всераспространенным аспектом концентрации загрязняющих веществ в бытовых сточных водах является показатель биохимической потребности в кислороде (ВПК), равный количеству растворенного кислорода, поглощаемого единицей объема сточных вод за определенное время при 20 °С. Длительность периода инкубации обычно указывают в виде подстрочного индекса; так, если ВПК определяют по результатам инкубирования в течение 5 суток (один из принятых периодов), то соответственный показатель обозначают эмблемой БПК 5 .
Количество растворенного кислорода, поглощаемого в процессе инкубации прямо до полного прекращения био окисления органических веществ, именуют предельной (либо полной) ВПК (БПКп), Этот тест, разработанный еще в 1898 г. Английской Царской комиссией по ликвидации отходов, был должен моделировать условия в аква потоках и обеспечивать относительно прямое определение 1-го из более вредных и небезопасных последствий сброса сточных вод — истощения растворенного кислорода в аква бассейнах, куда сбрасываются отходы. Понижение концентрации растворенного кислорода стремительно приводит к смерти огромного количества аэробных организмов, также животных; конечным результатом истощения растворенного кислорода будет грязная, неприятно пахнущая река, зараженная патогенными микробами.
Другим аспектом потенциального понижения общей концентрации растворенного кислорода в водоемах, в которые поступают сточные воды, служит хим потребность в кислороде (ХПК), равная числу миллиграммов кислорода, поглощаемого 1 литром пробы (сточных вод) из жаркого подкисленного раствора бихромата калия. В общем случае хим окислению подвергается больше веществ, чем био деградации, и, как следует, величина ХПК должна быть больше величины БПК для 1-го и такого же эталона. Измерение ХПК связано с вероятной степенью загрязнения естественных водоемов сточными водами не настолько конкретно, как определение БПК; с другой стороны, ХПК можно найти при помощи доступной обычный аппаратуры за 2 ч, а при помощи сложных устройств — за пару минут. БПК и ХПК являются общими и самыми грубыми индикаторами состава сточных вод. Все же они дают полезную информацию о степени угрозы, которую представляют сточные воды для среды. Другим преимуществом характеристик БПК и ХПК является возможность их определения с наименьшим количеством легкой аппаратуры, при этом выполнение соответственных анализов просит только краткосрочного обучения персонала.
Чтоб охарактеризовать качество воды, нередко используют и другие характеристики, в том числе концентрации фосфорсодержащих веществ (общего фосфора), азотсодержащих веществ (общего азота) и суспендированных нерастворимых веществ. В таблице 1 приведены соответствующие характеристики потоков, поступающих на станцию чистки бытовых сточных вод, и чистой воды. В этой таблице не указаны некие принципиальные загрязняющие вещества, сначала соли томных металлов и ядовитые органические вещества, к примеру пестициды, которые нередко находятся в очень малых, но способных принести большой вред концентрациях.
Таблица 1. Некие характеристики, характеризующие качество воды (содержание азота и фосфора в воде после чистки проверяется не всегда)
Требования к воде
Параметр Сточные воды после чистки
ВПК, мг/л
100—250
5—15
ХПК, мг/л
200—700
15-75
Общий фосфор, мг/л
6—10
0,2—0,6
Азот, мг/л
20—30
2—5
Суспендированные нерастворимые
100—400
10—25
вещества, мг/л
Состав промышленных сточных вод определяется их происхождением (таблица 2). Стоки промышленных компаний нередко загрязнены в еще большей степени, чем бытовые сточные воды. В стоках промышленных компаний, связанных с переработкой материалов углеводородной природы, нередко содержатся и яды, к примеру метаналь, аммиак либо цианиды. Тут появляются две взаимосвязанные трудности: во-1-х, эти стоки очень небезопасны для живых организмов в водоемах, куда они сбрасываются, во-2-х, они могут убивать мельчайшие организмы, участвующие в аэробных и анаэробных процессах переработки отходов. Действенные и довольно экономные способы обезвреживания схожих ядовитых веществ еще пока не разработаны.
Таблица 2. (справа) Сравнительная степень загрязненности стоков промышленных компаний*
*По данным, приведенным в работе: Abson I. V., Todhunter К. Н. In Biochemical and Biological Engineering Science, Blakebrough N. (ed.), vol. 1, pp. 318—319, Academic Press, London, 1967.
Процессы с ролью активного ила
В процессах с ролью активного ила главным типом оборудования является проточный аэрируемый био реактор. Как показано на рис. 1, этот аэробный реактор (аэротенк) связан с отстойником, в каком вода осветляется. Часть ила, собирающегося в отстойнике, обычно вновь поступает в био реактор, в итоге чего обеспечивается неизменная инокуляция илом. Рециркуляция наращивает среднее время пребывания ила в системе, давая возможность присутствующим в нем микробам приспособиться к имеющимся питательным субстанциям. Ил должен оставаться в аэробном биореакторе довольно длительно и для того, чтоб окислились все адсорбированные органические вещества.
Рис. 1 Схема чистки воды с ролью активного ила.
Чтоб осознать главные механизмы утилизации субстрата в этом биореакторе, нужно поначалу изучить природу и морфологию смешанной культуры микробов, живущих в аэрируемом реакторе. Одним из более обычных для активного ила организмов является амеба Zoogloea ramigera. Может быть, более принципиальной чертой как этого организма, так и многих других видов, имеющихся в активном иле, является способность синтезировать и секретировать в среду полисахаридный гель. Конкретно наличие геля обусловливает агрегацию микробов и образование хлопьевидных скоплений (флокул), именуемых активным илом (рис. 2).
Рис. 2. Микрофотография неких микробов активного ила. (Из работы Unz R. P., Dondero N. С., Water Research, 4, 575 (1970).)
Активный ил характеризуется высочайшим сродством к суспендированным жестким субстанциям, включая коллоидальные частички. Конкретно это событие служит предпосылкой того, что первой стадией разрушения суспендированных жестких частиц в сточных водах является их присоединение к флокулам. Потом, способные к биодеградации составляющие адсорбированных частиц претерпевают окисление организмами флокулы (рис. 3).
Рис.3 Подразумевается, что первой резвой стадией разрушения органических веществ в аэрируемом реакторе повторяющегося деяния с активным илом является физический процесс — адсорбция органических веществ флокулами ила, потом следует более неспешная стадия био окисления.
Для того чтоб прибыльнее использовать высшую адсорбционную способность активного ила, разработан вариант обыденного процесса, именуемый контактной стабилизацией. Как показано на схеме (рис. 4), в этом процессе рециркулирующий осажденный ил подвергается повторной аэрации до этого, чем он вступит в контакт с отходами, поступающими в аэрируемый резервуар. В последнем органические вещества связываются с флокулами фактически только за счет физических сил. Био утилизация связанных органических веществ происходит в главном в процессе повторной аэрации рециркулирующего ила; сразу восстанавливается адсорбционная способность флокул ила.
Другие модификации процесса с ролью активного ила отличаются от базисного варианта приемущественно методом воплощения контакта сточных вод, ила и воздуха в аэрируемом реакторе. Как показано на приведенной схеме, в процессе со ступенчатой подачей стоков поступающий поток после разделения вводят в аэрируемый резервуар в разных точках. Эффект разделения потока можно оценить, воспользовавшись рассмотренными ранее способами анализа реакторов.
Обыденный аэротенк с активным илом представляет собой узенький длиннющий канал (коридор), который по своим чертам приближается к трубчатому реактору с малозначительной дисперсией. Рассредотачивание поступающего потока подлине реактора изменяет свойства системы таким макаром, что коридорный реактор по собственному поведению приближается к емкостному реактору с полным смешиванием.
Еще поближе к реактору с полным смешиванием бассейн круглой формы, содержимое которого активно аэрируется с целью обеспечения массопереноса и смешивания. В таковой системе градиенты концентраций растворенного кислорода и питательных веществ малы, а развивающаяся популяция организмов активного ила нередко лучше переносит флуктуации нагрузки либо резкие увеличения концентраций ядовитых веществ.
Рис. 4. Схемы 2-ух процессов био окисления.
Системы аэрации могут быть самыми различными. Кроме барботажа с смешиванием, обычно применяемого в микробиологических процессах, тут может быть барботирование воздуха через диффузоры, расположенные на деньке либо в стенах резервуара. В другом варианте на поверхности бассейна крутится мешалка с лопастями, создающая турбулентные течения и содействующая поглощению газа. 3-ий вариант предугадывает смешивание и аэрацию при помощи конуса, который конфискует жидкость со дна бассейна и разбрызгивает ее на стены резервуара. Во всех случаях основной задачей системы аэрации и смешивания является снабжение кислородом микробов, суспендирование и смешивание ила и других нерастворимых компонент системы, также удаление летучих товаров метаболизма организмов ила, к примеру диоксида углерода.
Кроме высочайшей адсорбционной и метаболической активности неплохой ил должен также стремительно оседать. К примеру, в цилиндре через 30 мин объем осевшего активного ила должен быть приблизительно в 40 раз больше объема суспендированных жестких компонент. Если этот показатель намного выше и объем осевшего ила превосходит объем суспендированных жестких частиц, к примеру, в 200 раз, то таковой ил не удовлетворяет предъявляемым к нему требованиям, так как он будет вытекать из отстойника совместно с очищенными сточными водами. Такое состояние именуют большой перегрузкой; в данном случае обработанные сточные воды не будут отвечать подходящим эталонам.
Хотя предпосылки, вызывающие объемную перегрузку и механизм этого явления еще пока не выяснены, исследование ила нередко указывает, что в нем содержатся филаментозные бактерии и жгутиковые простые. Напротив, неплохой ил обычно не содержит сколько-либо бессчетные популяции филаментозных организмов, а из простых в нем находятся приемущественно стебельчатые ресничные виды. В процессе чистки воды эти простые делают полезную функцию, захватывая свободные, т. е. не включенные в флокулы, бактерии и таким макаром осветляя обработанные сточные воды.
В обычных критериях эксплуатации очистных станций филаментозные бактерии и грибы не могут соперничать с гетеротрофными микробами, присутствующими в неплохом иле. Резкие конфигурации концентраций загрязняющих веществ в поступающих сточных водах либо грубое нарушение режима эксплуатации системы водоочистки могут привести к условиям, неблагоприятным для роста нужных популяций, что в свою очередь позволит другим видам микробов занять доминирующее положение в системе. Отсюда следует, что результаты как большой перегрузки, так и обычного режима работы системы водоочистки представляют собой проявления принципов конкуренции видов в смешанных популяциях.
Литература:
Hattori Т., Microbial Life in the Soil: An Introduction, Marcel Dekker, Inc., New York, 1973.
Mitchell R., Introduction to Environmental Microbiology, Prentice-Hall, Inc., Englewood Cliffs, N. J., 1974
Rich L. G., Environmental Systems Engineering, McGraw-Hill Book Company, New York, 1973.
Abson J. W., Todhunter К. Н., Effluent Disposal, in Biochemical and Biolgical Engineering Science, Blakebrough N. (ed.), vol. 1, chap. 9, Acaemic Press, London, 1967.
Andrews J. F., Review Paper: Dynamic Models and Control Strategies for Wastewater Treatment Processes, Water Res., 8, 261—289 (1974)