Биохимические методы применяют для очистки хозяйственно-бытовых и промышленных сточных вод от многих растворенных органических и некоторых неорганических (сероводорода, сульфидов, аммиака, нитритов и др.) веществ.
Процесс очистки сточных вод от вредных веществ основан на способности микроорганизмов использовать эти вещества для питания в процессе жизнедеятельности - органические вещества для микроорганизмов являются источником углерода.
Сточные воды, направляемые на биохимическую очистку, характеризуются величиной БПК и ХПК.
БПК - это биохимическая потребность в кислороде или количество кислорода, использованного микроорганизмами для окисления органических веществ (не включая процессы нитрификации) за определенный промежуток времени (2, 5, 8,10, 20 сут.), в мг О2 на 1 литр. Например: БПК5 - биохимическая потребность в кислороде за 5 сут., БПКП0Лн- полная биохимическая потребность в кислороде до начала процессов нитрификации.
ХПК - химическая потребность в кислороде, то есть количество кислорода, необходимого для окисления всех органических веществ, содержащихся в воде. ХПК также выражают в мг О2 на 1 литр.
Известны аэробные и анаэробные методы биохимической очистки сточных вод
Аэробный метод основан на использовании аэробных групп организмов для жизнедеятельности которых необходимы постоянный приток кислорода и температура 20-40 °С. При изменении кислородного и температурного режимов состав и число микроорганизмов меняются. При аэробной очистке микроорганизмы культивируются в активном иле или биопленке.
Анаэробные методы очистки протекают без доступа кислорода; их используют, главным образом, для обезвреживания осадков.
Активный ил состоит из живых организмов и твердого субстрата. Живые организмы представлены скоплениями бактерий ^и одиночными бактериями, простейшими червями, плесневыми грибами, дрожжами, актиномицетами и редко - личинками насекомых, рачков, а также водорослями и др. Сообщество всех живых организмов, населяющих ил, называют биоценозом. Биоценоз активного ила в основном представлен двенадцатью видами микроорганизмов и простейших
Сухое вещество активного ила содержит 70-90% органических и 30-10% неорганических веществ. Субстрат, которого в активном иле может быть до 40%, представляет собой твердую отмершую часть остатков водорослей и различных твердых остатков. К нему прикрепляются организмы активного ила.
Качество ила определяется скоростью его осаждения и степенью очистки жидкости. Крупные хлопья оседают быстрее, чем мелкие. Состояние ила характеризует иловый индекс, который представляет собой отношение объема осаждаемой части активного ила к массе высушенного осадка (в граммах) после отстаивания в течение 30 мин. Измер в см3/г Чем хуже оседает ил, тем более высокий иловый индекс он имеет
Биопленка растет на наполнителе биофильтра,1 она имеет вид слизистых обрастаний толщиной 1-3 мм и более. Цвет ее меняется с изменением состава сточных вод от серовато-желтого до темно-коричневого. Биопленка состоит из бактерий, грибов, дрожжей и других организмов.
Для того, чтобы происходил процесс биохимического окисления органических веществ, находящихся в сточных водах, они должны попасть внутрь клеток микроорганизмов. К поверхности клеток вещества поступают за рчет конвективной и молекулярной диффузии, а внутрь клеток - диффузией через полупроницаемые цитоплазматические мембрань^ возникающей вследствие разности концентраций веществ в клетке и вне ее.' Однако большая часть вещества попадает внутрь клеток при помощи специфического белка-переносчикаГ Образующийся растворимый комплекс вещество—переносчик диффундирует через мембрану в клетку, где он распадается, и белок-переносчик включается в новый цикл переноса.
Основную роль в процессе очистки сточных вод играют процессы превращения вещества, протекающие внутри клеток микроорганизмов. Эти процессы заканчиваются окислением вещества с выделением энергии и синтезом новых веществ с затратой энергии.
Внутри клеток микроорганизмов происходит непрерывный и очень сложный процесс химических превращений. В строгой последовательности с большой скоростью протекает большое число реакций. Скорость реакций и их последовательность зависят от вида и содержания ферментов, которые выполняют роль катализаторов. Ферменты ускоряют только те реакции, которые протекают самопроизвольно, но с очень малой скоростью.
Ферменты (или энзимы) представляют собой сложные белковые соединения с молекулярной массой, достигающей сотен тысяч и миллионов в ед.
Нитрификация и денитрификация. При очистке сточных вод под действием нитрифицирующих бактерий протекают процессы нитрификации и денитрификации. Нитрифицирующие бактерии окисляют азот аммонийных соединений сначала до нитритов, а потом до нитратов. Этот процесс называется нитрификацией и протекает в две стадии. Он является конечной стадией минерализации азотсодержащих органических веществ. Присутствие нитрат-ионов в очищенной сточной воде является одним из показателей полноты очистки. Ф-ла
Под действием денитрифицирующих бактерий связанный кислород отщепляется от нитритов и нитратов и вновь расходуется на окисление органических веществ. Этот процесс называется денитрификацией. Условиями осуществления процесса денитрификации, являются: наличие органических веществ, небольшой доступ кислорода, нейтральная или слабощелочная реакция.
Денитрификация - процесс многостадийный и может протекать с образованием аммиака, молекулярного азота либо оксидов азота. При очистке сточных вод денитрификация протекает, главным образом, с образованием азота (редко образуется NH3- аммиак) Ф-лы
Органические азотсодержащие соединения разлагаются с образованием аммиака. Например, карбамид (мочевина) разлагается по уравнению CO(NH2)2 + 2Н2О→ (NH4)2СО3=2NH3 + СО2 + Н2О
Разложение органических соединений может происходить через образование аминокислот, которые далее выделяют аммиак при протекании различных процессов.
Методы биохимической очистки
Аэробные процессы биохимической очистки сточных вод могут протекать в природных (естественных) условиях и искуствен-ных сооружениях. Биохимическую очистку называют полной, если БПК очищенной воды составляет менее 20 мг/л, и неполной при БПК более 20 мг/л.
В естественных условиях очистка происходит на полях орошения, полях фильтрации и биологических прудах. Искусственные сооружения - аэротенки и биофильтры разной конструкции. В искусственных сооружениях процессы очистки протекают с большей скоростью, чем в естественных условиях.
8.3.1 Биохимическая очистка в природных условиях
В естественных условиях очистка происходит на полях орошения, полях фильтрации и биологических прудах.
Сооружения естественной очистки применяются в основном для очистки бытовых сточных вод Производительность от 1 м3/сут. до 100 тыс. м3/сут.
Если на полях выращ-ся с/х куль-ры, то такие земледель-е поля после Биол оч улавли-ся и удобр-ся- это поля орошения. Очистка сточных вод идет под действием почвенной микрофлоры (бактерии, актиномиценты, дрожжи, грибы, водоросли, простейшие, беспозвоночные), солнца, воздуха и под влиянием жизнедеятельности растений
Если на полях не выращиваются сельскохозяйственные культуры и они предназначены только для биологической очистки сточных вод, то они называются полями фильтрации. Земледельческие поля орошения после биологической очистки увлажняются и используются для выращивания сельскохозяйственных культур.
В процессе биохимической очистки на полях сточные воды фильтруются через слой почвы В ней задерживаются взвешенные и коллоидные вещества, которые со временем образуют в порах почвы микробиологическую пленку Образовавшаяся пленка адсорбирует коллоидные частицы и растворенные в сточных водах вещества. Проникающий из воздуха в поры кислород окисляет задержанные органические вещества, превращая их в минеральные соединения. В глубокие слои почвы проникновение кислорода затруднено, поэтому наиболее интенсивное окисление происходит в верхних слоях почвы (0,2-0,4 м) При недостатке кислорода в прудах начинают преобладать анаэробные процессы.
При применении очистных сооружений с полями орошения и круглогодичном приеме сточных вод с сезонным регулированием их подачи, полив осуществляется только в вегетационный период, а остальное время года сточные воды поступают в пруды-накопители вместимостью, равной шестимесячному расходу сточных вод.
Биологические пруды. Предназначены для биохимической очистки и для доочистки сточных вод в комплексе с другими очистными сооружениями Представляют собой каскад прудов, состоящий из 3-5 ступеней, через которые с небольшой скоростью протекает осветленная или биологически очищенная сточная вода.
Различают пруды с естественной и искусственной аэрацией. Пруды с естественной аэрацией имеют небольшую глубину (0,5-1 м), хорошо прогреваются солнцем и заселены водными организмами.
Бактерии используют для окисления загрязнений кислород, выделяемый водорослями в процессе фотосинтеза, а также кислород из воздуха. Водоросли, в свою очередь, потребляют СО2, фосфаты, аммонийный азот, выделяемые при биохимическом разложении органических веществ.
Осенью пруды опорожняются. Один раз в два-три года производится перепашка дна и посадка растительности.
Аэротенки. Аэротенки представляют собой железобетонные резервуары, прямоугольные в плане, разделенные перегородками н отдельные коридоры (двух-, трех- и четырехкоридорные). Пр-с оч-ки идет по мере протекания ч/з аэротенк аэрированной смеси ст воды и актив ила. Аэрация нео-ма для насыщения ст воды О2 и для подд-я ила во взвеш-ом сост-ии. По структуре потоков сточной воды и возвратного активного ила аэротенки бывают трех типов:
1) аэротенки - вытеснители;
2) аэротенки - смесители;
3) аэротенки промежуточного типа (рис.8.2).
В аэротенках-вытеснителях воду и ил подают в начало сооружения, а смесь отводят в конце его. Аэротенк имеет 1-4 коридора. Такие аэротенки применяют для окисления малоконцентрированных вод (БПК полн до 300 мг/л).
В аэротенках-смесителях воду и ил вводят равномерно вдоль длинных сторон коридора аэротенка. Они предназначены для очистки концентрированных производственных сточных вод (БПК полн до 1000 мг/л).
Рис. 8.2. Схемы аэротенков с различной структурой потоков
сточной воды и возвратного активного ила: а - аэротенк-вытеснитель; б - аэротенк-смеситель; в - аэротенк промежуточного типа с рассредоточенной подачей сточной воды
В аэротенках с рассредоточенной подачей сточной воды ее подают в нескольких точках по длине аэротенка, а отводят из торцевой части. Возвратный ил полностью подают в начало аэротенка. Эти аппараты занимают промежуточное положение между аэротенками-вытеснителями и аротенками-смесителями
Время нахождения в аэротенке обрабатываемой сточной воды составляет 6-12(24) ч. За это время масса органических загрязнений перерабатывается биоценозом активного ила. Из аэротенка смесь обработанной сточной воды и активного ила поступает во вторичный отстойник, где активный ил оседает на дне отстойника, затем отводится в резервуар насосной станции, а очищенная сточная вода поступает либо на дальнейшую доочистку, либо на обезвреживание. В процессе биологического окисления происходит прирост биомассы активного ила. Избыток ила выводится из системы в сооружения по обработке осадка. Основная часть в виде циркуляционного активного ила снова возвращается в аэротенк. Комплексы очистных сооружений, в состав которых входят аэротенки, имеют производительность от нескольких десятков кубических метров сточных вод в сутки до 2-3 млн. м3/сут.
Биофильтры. Применяются при расходах бытовых и производственных сточных вод до 20-30 тыс. мэ/сут. Биофильтр представляет собой резервуар, круглый или прямоугольный в плане, который заполняется загрузочным материалом. В БФ ст вода фильт-ся ч/з слой загрузки. к-рая покрыта пленкой из микроорган-ов. В качестве загрузки используют различные материалы с высокой пористостью, ма- > лой плотностью и большой удельной поверхностью. Загрузочный материал поддерживается решетчатым днищем. По типу загрузочного материала биофильтры делят на две категории:
1) с объемной загрузкой, состоящей из гравия, шлака с крупностью 15-80 мм;
2) с плоскостной загрузкой - из пластмасс, асбестоцемента, керамики, металла, тканей.
Объемная загрузка засыпается навалом после сортировки фракций слоем высотой 2-4 м. Высота слоя загрузки плоскостного материала составляет 4-8 м.
Сточная вода подается выше поверхности загрузочного материала, равномерно над ней распределяется. На поверхности загрузочного материала образуется биологическая пленка из микроорганизмов, аналогично активному илу в аэротенке. Микроорганизмы биопленки окисляют органические вещества, используя их как источники питания и энергии. Обработанная сточная вода через загрузочный материал и отверстия поддерживающего днища поступает на сплошное днище биофильтра и с помощью лотков во вторичный отстойник.
Анаэробные методы
Анаэробные методы биохимической очистки используют для сбраживания осадков, образующихся при биохимической очистке производственных сточных вод, а так же как первая ступень очистки очень концентрированных сточных вод (БПК полн = 4-5 г/л), содержащих органические вещества, которые разрушаются анаэробными бактериями в пр-се брожения. Для очистки сточных вод используют метановое брожение (с образованием метана), Процесс проводят в метантенках - герметически закрытых резервуарах с приспособле-ми для ввода осадков и вывода образ-ся в-в.