В.Ф. Панин
Теоретические основы защиты окружающей среды
Конспект лекций по учебной дисциплине. Томск: ТПУ, 2009. – 115с.
2. Защита гидросферы от загрязнений
2.7. Очистка сточных вод
2.7.6. Биологическая очистка сточных вод
2.7.6.1. Общие представления о биологической
очистке сточных вод
Биологическая очистка сточных вод – технологический
процесс очистки сточных вод, основанный на способности биологических организмов
(редуцентов) разлагать загрязняющие вещества [15].
Биологическое
разрушение (окисление) загрязняющих органических веществ производит биоценоз,
включающий в себя в общем случае бактерий, простейших, водорослей, грибов,
коловраток, червей и т.д., потребляющих органическое вещество и в процессе
дыхания превращающих его в воду и углекислый газ. Пирамида массы данного
биоценоза представлена на рисунке 2.8.
Рисунок 2.8 – Пирамида биомассы биоценоза,
разрушающего (окисляющего) органические загрязнения сточных вод
Общая
схема окисления загрязняющих органических веществ в аэробных условиях:
а) органические вещества + О2 + N (азот) +
P (фосфор) ® микроорганизмы + CO2 + H2O +
биологически неокисляемые растворённые вещества;
б) микроорганизмы + О2 ® CO2 + H2O + N + P + биологически не разрушаемая
часть клеточного вещества.
Реакция (а) отображает окисление исходных органических
загрязнений и образование новой биомассы; реакция (б) представляет процесс
эндогенного (внутреннего) окисления клеточного вещества, происходящий после
использования внешнего источника питания (органических загрязнений стоков).
Ферментативные реакции окисления загрязняющих
органических веществ, содержащихся в сточных водах, происходят внутри
бактериальной клетки, куда элементы питания должны попадать сквозь её оболочку.
Поэтому важная роль в общем процессе окисления принадлежит внеклеточному
ферментативному гидролитическому расщеплению частиц и крупных молекул на более
мелкие, соизмеримые с размерами клетки.
2.7.6.2. Влияние факторов на биологическую очистку
стоков
Температура.
Как правило, оптимальные температуры для аэробных процессов 20…30°С; существуют группы бактерий, функционирующих в других температурных
интервалах: психофилы – 10…15°С, термофилы – 50…60°С и др. Роль температуры связана, в частности, с температурной
зависимостью растворимости кислорода в воде.
Величина
рН. Биологическая очистка эффективна при рН = 5…9, оптимальная – при рН =
6,5…7,5; есть бактерии, склонные к кислой (грибы, дрожжи, рН = 4…6) или к
слабощелочной среде (актиномицеты).
Содержание
биогенов. Биогенные элементы N и Р необходимы бактериальной клетке как
«строительный» (N) и энергетический (Р) материал, необходимы также (в
незначительных количествах) элементы Mn, Zn, Cu, Mo и др. [17].
Сбалансированность элементов питания для
бактерий в сточных водах определяется соотношением БПКп: N: Р (N –
азот аммонийных солей и Р – фосфор в виде растворённых фосфатов). Оптимальным
для биоочистки стоков считается соотношение 100 : 5 : 1,
характерное для нефтеперерабатывающих заводов; для производства
поливинилацетатных пластмасс, например, оно составляет 100 : 3,9 : 0,8.
Уровень
питания - величина суточной нагрузки по загрязнениям в пересчёте на 1 м3 очистного сооружения, выражаемая через БПКп, приходящаяся на 1г беззольной
части биомассы. Оптимальная (классическая) суточная нагрузка – 150…400 мг БПКп/г×сут.
Токсичные
вещества. Ими могут быть органические и неорганические вещества, их
действие может быть микробостатическим (задерживается рост и развитие
микроорганизмов) и убивающим (микробоцидным). Существуют ПДК для сооружений
биологической очистки.
2.7.6.3. Методы и сооружения биологической очистки
Естественные
методы: почвенная очистка на полях фильтрации (орошения) и очистка в
биологических прудах.
Биологическая
очистка на полях орошения заключается в том, что при прохождении стоков
через слой почвы в последней адсорбируются взвешенные и коллоидные вещества,
образующие микробиологическую плёнку. Эта плёнка окисляет задержанные
органические вещества и минерализует их. Такие поля оснащены системой
подводящих, распределительных и отводящих сооружений. Простейший вариант поля
орошения для очистки непромышленных стоков описан в [6]. Неочищенные стоки города Эммитсберга (США) сначала
поступают в пруд, где оседает мусор и самые крупные частицы. Это – первичная
очистка, характерная практически для всех методов биоочистки. Часто вместо
пруда используются большие баки, называемые первичными отстойниками. Затем
стоки подаются на поля с пахотным слоем около 30 см. Здесь выращивается канареечник – кормовой злак, активно поглощающий из почвы азот и
другие биогены. Глинистая водонепроницаемая подпочва образует плавный уклон в
направлении от оросительной трубы: сточные воды просачиваются сквозь пахотный
слой и стекают в дренажную канаву на другой стороне поля. По мере прохождения
стоков сквозь почву обитающий в ней биоценоз (см. рисунок 2.8) разлагает и
усваивает органические отходы и обогащает почву биогенами. Канареечник
поглощает питательные элементы, поэтому вода на выходе поля весьма чистая и
почти лишена их. Эту воду используют для полива кормовых культур, канареечник
скашивают и скармливают скоту. Таким образом, биогены совершают полный
круговорот, попадая из сточных вод в траву, в мясо животных, в человека, затем
опять в стоки и в почву.
Серьёзным
препятствием для подобной очистки и использования промышленных стоков является
частое содержание в них ядовитых веществ – свинца, ртути, хрома, не разлагаемой
органики. Между тем, промышленность часто сбрасывает свои отходы в
коммунальные очистные системы, эти отходы подавляют организмы, участвующие в
системах биоочистки и серьёзно снижают её эффективность. Предварительная
очистка промышленных стоков от ядовитых отходов позволит шире использовать
сточные воды для орошения.
Биологические
пруды - искусственные водоёмы с использованием естественных процессов –
применяются для очистки промышленных и коммунальных стоков. Здесь культивируют
биоценозы, аналогичные рассмотренным для случая полей орошения. Различают
биологические пруды с естественной и искусственной аэрацией. Последняя
позволяет значительно уменьшить требуемую площадь прудов.
Биологическая
очистка сточных вод в искусственных сооружениях производится в
биологических фильтрах, аэротенках и окситенках.
В
биофильтрах сточная вода из отстойников (первичных) разбрызгивается и
стекает струйками по слою щебня, гравия и т.п. загрузочного фильтроматериала,
толщина которого может достигать 2…3 м. При разбрызгивании сточная вода
обогащается кислородом. Как и в естественных ручьях, в этих условиях
функционирует сложная экосистема из бактерий, простейших, мелких червей и
других микро- и макроорганизмов, прикреплённых к элементам фильтроматериала.
Они “выедают” из протекающей воды органическое вещество, включая патогенов. Случайно
смытые с биофильтров организмы устраняются во вторичных отстойниках. В
биофильтрах сточные воды теряют до 90 % органических веществ. Интенсивность
биоокисления органического вещества в биофильтре повышается при подаче сжатого
воздух через фильтр в направлении, противоположном фильтрованию.
Аэротенки
представляют собой, в сущности, отстойники, в которые помещают активный ил –
смесь микро- и макроорганизмов – детритофагов, то есть пожирателей неживого
органического вещества, образующих специфический водный биоценоз (рисунок 2.8)
с водой, органическим веществом, биологически неокисляемыми растворёнными
веществами и биологически неокисляемой частью клеточного вещества. По мере
движения воды по аэротенку она интенсивно аэрируется сжатым воздухом, то есть
создаётся идеальная среда для развития указанных организмов.
Окситенки
- модификация аэротенков, в которые вместо сжатого воздуха поступает
газообразный кислород, что приводит к интенсификации процессов окисления.
Сточная
вода после аэро- и окситенков направляется во вторичные отстойники, осадок
которого – тот же активный ил, который снова направляют в аэрационный
резервуар. Излишки активного ила вместе с илом – сырцом (осадком и всплывшим
грубодисперсным веществом в первичном отстойнике) направляют на переработку –
сбраживание или компостирование. В результате получают метан и качественное
удобрение (гумус) для сельскохозяйственных полей и газонов.
До
трёх последних десятилетий острой необходимости в дополнительной очистке
сточных вод после вторичной (после вторичных отстойников) не ощущалось [6]. Воду дезинфицировали хлоркой и сбрасывали в
естественные водоёмы. Однако по мере развития эвтрофизации всё более значимой
становится проблема введения ещё одного этапа очистки – доочистки, устраняющей
биогены. Например, фосфаты можно устранить, добавив в воду известь (ионы
кальция). Образуется нерастворимый фосфат кальция, который можно удалить
фильтрованием. Если избыток фосфата – главная причина эвтрофизации, этого уже
достаточно.
При
соответствующей доочистке можно добиться того, что получится вода, пригодная
для питья. В обозримом будущем предстоит всё чаще решать вопрос о том,
оправданно ли направление такой воды в сеть муниципального водоснабжения. Если
вопрос нехватки воды обострится (п.п. 2.3, 2.4), то, повидимому, ответ всё чаще
будет положительным. Многие из нас бледнеют при мысли о подобном вторичном
использовании сточных вод, в частности, городских канализационных стоков.
Однако, вероятнее всего, с этим придётся смириться: ведь и в природе в любом случае
вода совершает круговорот. Между тем подходящая доочитска может обеспечить воду
гораздо лучшего качества, чем получаемая из многих рек и озёр, в которые
сбрасываются практически неочищенные канализационные стоки [6].
Перед
сточными водами, прошедшими вторичную биоочистку, есть альтернативный путь: на
орошение сельскохозяйственных полей и газонов – в случаях, когда это
предотвращает забор таких же количеств чистой воды из естественных водоёмов.
|