Биология очистка сточных вод

55NH₄⁺  + 5CO₂ +76O₂→C5H₇NO₂+54NO₂=52H₂O+109H⁺           (1.3)

400NO₂+5CO₂+NH⁺₄+195O₂+2H₂O→C₅H₇NO₂+400NO^-₃+H₃          (1.4) 
 

           В этих уравнениях C₅H₇NO₂ - символ состава органического вещества образующихся клеток микроорганизмов.

            Приведем схему анаэробного процесса, например, схему процесса метановой ферментации:

органические вещества +H₂O→CH₄+CO₂ + (7.5)

+C₅H₇NO₂+NH⁺₄+HCO^-₃

            Представленные схемы биологической очистки достаточно часто встречаются в практике очистки сточных вод, но не исчерпывают всех возможностей биологического окисления.

           Примером последнего могут быть служить окисление железа и марганца бактериями. Так, железобактерии получают энергию в результате окисления солей двухвалентного железа до соединений трехвалентного железа:

4FeCO₃O₂+6H₂O→4FeCO₃+O₂(OH)₃+4CO₂   ↑(1.6)

            Известны микроорганизмы, которые восстанавливают Fe³⁺ до Fe²⁺,

2FeS₂+7O₂+2H₂O→2FeSO₄+2H₂SO₄    (1.7)

4FeSO₄+O₂+2H₂SO₄→2Fe(SO₄)+2H₂O  (1.8)

Fe₂(SO₄)₃+6H₂O→2Fe(OH)₃+3H₂SO₄      (1.9)

            Двухвалентный марганец бактерии окисляют до четырехвалентного состояния:

Mn²⁺+0.5O₂+2OH^-→MnO₂+H₂O           (1.10)

             Кроме растворенных процессов биологического окисления, микроорганизмы способны окислять ряд органических веществ, таких, как бензойная кислота, фенол, серосодержащие вещества, анилин и др. 
 
 

2.2. Влияние различных  технологических  факторов на  эффективность  процессов  биологической очистки. 

           Считается, что оптимальная температура  для аэробных процессов, происходящих  в сооружениях биологической  очистки, составляет 20-30 С. В этих  условиях сосуществуют разнообразные и  хорошо развитые микроорганизмы. Следует, однако, указать, что для различных видов бактерий  оптимальные температурные режимы лежат в более широким пределах: от 4 до 85 С. Относительная продолжительность окисления t изменяется в зависимости от температуры сточной воды (Т, С ) следующим образом:

T, 0C	10	15	20	25	30
t	0.67	1	1.33	1.67	2.0

 

          Биологическая очистка наиболее эффективна при значениях рН 5-9, причем оптимальной считается среда с рН=6.5-7.5. при отклонении рН за пределы 5-9 снижается скорость окисления загрязнений, в связи с чем следует контролировать и корректировать величину указанного параметра в сточных водах.

            Для того чтобы процесс биологической очистки сточных вод был эффективным, необходимо обеспечивать в среде достаточную концентрацию органического углерода (БПК),  азота и фосфора. Так, при обработке городских сточных вод соотношение БПК :N:Р должно  быть не менее 100:5:1.

              Важное  значение  при биологической очистке сточных вод имеет уровень питания, за меру которого принимают величину суточной нагрузки по загрязнениям  в пересчете на 1 м3   очистного сооружения, на 1 г сухой биомассы или на 1 г беззольной  части биомассы. Используя эту характеристику в совокупности с другими характеристиками, можно прогнозировать эффективность процесса биологической очистки в аэрационных сооружениях.

              В  аэробных биологических  сооружениях концентрация растворенного кислорода  должна быть не ниже 2 мг/л, так как в противном случае  уменьшается скорость утилизации органических загрязнений.

             В процессах биологической очистки концентрация токсичных элементов в обрабатываемой  воде (например,  тетраэтилсвинца,  соединений бериллия,  титана, ртути, шестивалентного хрома и др.) не должна превышать величины ПДК. 
 

2.3. Естественные и   искусственные методы биологической очистки.

2.3.1. Сооружения  почвенной  очистки и биологические  пруды. 

           К  естественным  методам биологической очистки относятся почвенные методы очистки сточных вод и их  очистка в  биологических  прудах.

            Сооружения почвенной очистки сточных вод имеют производительность в пределах от 0,5 до 280 000 м3/ сут. Их используют в основном для очистки бытовых сточных вод. Указанные сооружения подразделяют на малые, к которым относятся фильтрующие колодцы,  фильтрующие траншеи,  площадки подземного орошения, площадки подземной фильтрации и  песчано - гравийные фильтры. К средним – поля подземного орошения и подземной фильтрации. Наиболее крупными  сооружениями являются коммунальные поля  орошения, земледельческие поля орошения и поля наземной фильтрации.

             Очистка сточных вод при использовании  указанных методов их обработки происходит под действием  почвенной микрофлоры, солнца, воздуха и под влиянием жизнедеятельности растений.

             В биологических прудах, которые представляют  собой искусственно созданные водоемы, для очистки  сточных вод также используются естественные процессы. Эти сооружения можно использовать и  для глубокой очистки сточных вод, прошедших биологическую обработку. Существуют пруды с естественной и искусственной аэрацией.

             Глубина прудов с естественной аэрацией обычно не превышает 1 м. Для искусственной аэрации используют либо механические аэраторы, либо пропускают воздух через слой воды. Глубина прудов с искусственной аэрацией  обычно достигает 3 м.  Как  правило, пруды с искусственной аэрацией объединяют в несколько параллельных каскадов.

             В окислительных процессах, протекающих в биологических   прудах, существенную роль играет водная растительность, которая способствует снижению концентрации биогенных элементов  и регулирует кислородный режим водоема.

              Сточные воды, обработанные в биологических  прудах, рекомендуется дополнительно очищать в отстойных секциях. Для глубокой очистки стоков воду из прудов необходимо пропускать через песчаные фильтры.

              Биологические пруды обычно используют для очистки сточных вод заводов органического синтеза, а также нефтехимических предприятий. 
 
 

2. Биофильтры.

 

             Биологические фильтры достаточно широко применяются для очистки бытовых и производственных сточных вод при их объемном расходе до 30 тыс.м3/ сут.

             По типу  загрузочного материала все биофильтры можно разделить на устройства с объемной и плоскостной загрузкой.

             Объемный загрузочный материал состоит из гравия, керамзита, шлака с крупностью отдельных фракций 15-80 мм, а плоскостной материал- из пластмасс ,керамики, металла, тканей и др. Биофильтры  с объемной загрузкой делят на капельные ( рис 1.1), высоконагруженные (рис 1.2) и башенные.

     

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Рис 1.1. Капельный билфильтр:

1-дозирующие  баки сточной воды; 2-спринклеры; 3-железобетонная стенка; 4-загрузка  биофильтра; 5-подача сточной воды; 6-отводящий лоток 

 
 

Рис. 1.2. Высоконагружаемый биофильтр с реактивным оросителем 
 
 

2.3.3. Аэротенки 

            Существуют различные классификации  аэротенков. В данном пособии  мы будем классифицировать их  аэротенки- вытеснители, аэротенки-  смесители и аэротенки с рассредоточенным  выпуском сточной жидкости ( аэротенки промежуточного типа).

           Аэротенки  используют для  полной или частичной очистки  многих видов производственных  сточных вод. Основные схемы  аэротенков представлены на рис 1.3.

           В аэротенках-вытеснительных воду  и ил подают в начало сооружения, а смесь отводят в конце его. Эти сооружения имеют один – четыре коридора. Сточная вода ил в аэротенках-смесителях подводятся и отводятся равномерно вдоль длинных сторон сооружения. В аэротенках промежуточного типа можно рассредоточено подать либо воду (обычно применяется на аэротенки), либо ил с отводом смеси сосредоточенного в конце аэротенка.

            Очистка сточной воды в аэротенках  осуществляется следующим образом.  Вода после механической очистки  смешивается с циркулирующим активным илом и, пройдя через аэротенк, поступает во вторичный отстойник. За это время основная масса органических загрязнений перерабатывается(окисляется) активным илом. Важнейшим конструктивным элементом каждого аэротенка является система аэрации, насыщающая обрабатываемую воду кислородом, поддерживающая постоянное перемешивание сточной воды с илом.

              Различают три системы аэрации:  пневматическая (воздух нагнетается  в аэротенк под давлнеием), механическая (воздух поступает в аэроте6нк  при вращении в нем жидкости мешалкой-эратором) и комбинированные. 

 
 
 
 
 
 
 

Рис.1.3. Схемы аэротенков:

а-вытеснители; б-смесители; в-с рассредоточенным впуском воды; 1-сточная вода;

ΙΙ-активный ил; ΙΙΙ-иловая смесь; 1- аэротенк 
 

2.3.4.  Окситенки 

         Окситенки- это сооружения биологической очистки, в которых вместо воздуха используется технический кислород или воздух, обогащенный кислородом.

            Основным отличием окситенка  от аэротенка, работающего на  атмосферном воздухе, является  повышенная концентрация ила. Это связано с увеличенным массообменном  кислорода между газовой и жидкой фазами.

            Рекомендуемая концентрация ила в окситенках составляет 6-8 г/л. Возможна работа данного устройства и при более высоких концентрациях активного ила.

             Конструктивная схема окситенка представлена на рис.1.4. Он  представляет собой резервуар, круглой в плане формы с цилиндрической перегородкой, которая отделяет зону аэрации от зоны  илоотделения.

             В средней части цилиндрической перегородки прорезаны окна для перемещения иловой смеси из зоны аэрации в илоотделитель, в нижней части- для поступления возвратного ила в зону аэрации. В зону аэрации с помощью турбоаэратора подается кислород.

             Сточная вода поступает в зону аэрации по трубе. Под воздействием скоростного напора,  развиваемого турбоаэратором, иловая смесь через окна  потупает в илоотделитель, в котором жидкость движется по окружность; при этом происходит интенсивное отделение и уплотнения ила. Очищенная вода проходит через слой взвешенного активного ила, дочищается от различных загрязнений, поступает в сборный лоток и отводится по трубке. Возвратный активный ил опускается по спирали вниз и через окна поступает в камеру аэрации.

        Кроме рассмотренных сооружений биологической очистки для этих         же целей могут быть использованы погружные биофильтры, аэротенки с заполнителями, анаэробные биофильтры. В этих сооружениях активный ил частично находится во взвешенном состоянии, а частично- в прикрепленном к материалу загрузки, т.е. они занимают промежуточное положение между аэротенками и биофильтрами. 

                   

Рис.1.4. Окситенк:

1-продувочный  трубопровод; 2,5-задвижки с электроприводом; 3-электродвигатель;4-турбоаэратор;

6-герметичное  перекрытие; 7-трубопровод для подачи кислорода; 8-вертикальные стержни; 9-сборный лоток; 10-трубопровод для сброса избыточного ила; 11-резервуар; 12-окна для перепуска иловой смеси из зоны аэрации в илоотдеитель; 13-циллиндрическкая перегородка; 14-скребок; 15-окна для перепуска возвратного ила  в зону аэрации; 16-зона аэрации; 17-трубопровод для подачи сточной воды в зону аэрации; 18-илоотдолитель; 19-трубопровод для выпуска очищенной воды