План

                                                                                                                                  Стр.

    Введение……………………………………………………………….….…2

     1. Биологическая очистка воды: аэробный и анаэробный процессы….…3

2. Особенности анаэробных процессов, происходящих при        биологической очистке……………………………………………………..6

3. Установки  для анаэробной переработки сточных  вод………………..10

    Выводы……………………………………………………………………...14

    Список  литературы………………………………………………………...15 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

                                                 Введение

    Еще в городах древнего Египта, Греции и Рима существовали канализационные  системы, по которым  отходы жизнедеятельности людей и животных  транспортировались в водоемы - реки, озера и моря. В Древнем Риме перед сбросом в Тибр канализационные стоки накапливались и выдерживались в накопительном пруде-отстойнике - клоаке. В Средние века этот опыт был в значительной степени забыт, помои, экскременты людей и животных, выливались на городские улицы и удалялись эпизодически. Это являлось причиной загрязнения и заражения источников питьевой воды и приводило к возникновению эпидемий холеры, тифа, амебной дизентерии и др.

    В начале 19 века  в Англии был изобретен туалет с водяным смывом. Возникла очевидная необходимость в обработке сточных вод и предотвращения их попадания в источники питьевой воды. Сточные воды собирали и выдерживали  в больших емкостях, осадок использовали в качестве удобрений.

    В начале двадцатого века были разработаны интенсивные системы  очистки бытовых сточных вод, включая поля орошения, где вода очищалась, фильтруясь через почву, струйные фильтры со щебневой и песчаной загрузкой, а также резервуары с принудительной аэрацией - аэротенки. Последние являются основным узлом современных станций аэробной очистки  городских сточных вод. Первоначально основной целью очистки стоков являлось их обеззараживание. Понимание важности качественной очистки сточных вод для охраны природных водоемов пришло позже.

    Проблема чистой воды является одной из актуальнейших проблем наступившего века. В настоящее время разработаны и развиваются современные технологии очистки сточных вод. Наибольший интерес и перспективу имеют естественные и самые дешевые биологические методы очистки, представляющие собой интенсификацию природных процессов разложения органических соединений микроорганизмами в аэробных или анаэробных условиях.

    Цель  реферата: рассмотреть метод анаэробной очистки сточных вод, выяснить его преимущества. 

    1. Биологическая очистка воды: аэробный и анаэробный процессы

    Биологическая очистка предполагает деградацию органической составляющей сточных вод микроорганизмами (бактериями и простейшими). На данном этапе происходит минерализация сточных вод, удаление органического азота и фосфора, главной целью является снижение БПК5 (биохимическая потребность в кислороде за 5 суток, необходимая для окисления органических соединений находящихся в воде). По существующим нормам, содержание органических веществ в очищенной воде не должно превышать 10 мг/л.

    В биоочистке могут использоваться как аэробные, так и анаэробные организмы.         

Деградация  органических веществ микроорганизмами в аэробных и в анаэробных условиях осуществляется с разными энергетическими  балансами суммарных реакций. Рассмотрим и сравним эти процессы.

    При аэробном биоокислении глюкозы 59% энергии, содержащейся в ней, расходуется на прирост биомассы и 41% составляют тепловые потери. Этим обусловлен активный рост аэробных микроорганизмов. Чем выше концентрация органических веществ в обрабатываемых стоках, тем сильнее разогрев, выше скорость роста микробной биомассы и накопления избыточного активного ила.

    Аэробный  процесс:

                  С₆Н₁₂О₆ +6О₂ --> 6СО₂ +6Н₂О + микробная биомасса + тепло

    При анаэробной деградации глюкозы с образованием метана лишь 8% энергии расходуется на прирост биомассы, 3% составляют тепловые потери и 89% переходит в метан. Анаэробные микроорганизмы растут медленно и нуждаются в высокой концентрации субстрата.

       Анаэробный процесс:

                        С₆Н₁₂О₆ --> 3СН₄ + 3СО₂ + микробная биомасса  + тепло        

Аэробное  микробное сообщество представлено разнообразными микроорганизмами, в основном бактериями, окисляющими различные органические вещества в большинстве случаев независимо друг от друга, хотя окисление некоторых веществ осуществляется путем соокисления (кометаболизм). Аэробное микробное сообщество активного ила систем аэробной очистки воды представлено исключительным биоразнообразием. В последние годы с помощью новых мокулярно-биологических методов, в частности специфических рРНК проб, в активном иле показано присутствие бактерий родов Paracoccus, Caulobacter, Hyphomicrobium, Nitrobacter, Acinetobacter, Sphaerotilus, Aeromonas, Pseudomonas, Cytophaga, Flavobacterium, Flexibacter, Halisomenobacter, Artrobacter, Corynebacterium, Microtrix, Nocardia, Rhodococcus, Bacillus, Clostridium, Lactobacillus, Staphylococcus. Считается, однако, что к настоящему времени идентифицировано не более 5% видов микроорганизмов, участвующих в аэробной очистке воды.

       Следует отметить, что многие аэробные бактерии являются факультативными анаэробами. Они могут расти в отсутствии кислорода за счет других акцепторов электрона (анаэробное дыхание) или брожения (субстратное фосфорилирование). Продуктами их жизнедеятельности являются углекислота, водород, органические кислоты и спирты.

    Анаэробная  деградация органических веществ, при  метаногенезе осуществляется как многоступенчатый процесс, в котором необходимо участие  по меньшей мере четырех групп  микроорганизмов: гидролитиков, бродильщиков, ацетогенов и метаногенов. В анаэробном  сообществе между микроорганизмами существуют тесные и сложные взаимосвязи, имеющие аналогии в многоклеточных организмах, поскольку ввиду субстратной специфичности метаногенов, их развитие невозможно без трофической связи с бактериями предыдущих стадий. В свою очередь метановые археи, используя вещества, продуцируемые первичными анаэробами, определяют скорость реакций, осуществляемых этими бактериями. Ключевую роль в анаэробной деградации органических веществ до метана играют метановые археи родов Methanosarcina, Methanosaeta (Methanothrix), Мethanomicrobium  и другие. При их отсутствии или недостатке анаэробное разложение заканчивается на стадии кислотогенного и ацетогенного брожений, что приводит к накоплению  летучих жирных кислот, в основном масляной, пропионовой  и уксусной, снижению рН и остановке  процесса.

    Преимуществом аэробной очистки является высокая скорость и использование веществ в низких концентрациях. Существенными недостатками, особенно при обработке концентрированных сточных вод, являются высокие энергозатраты на аэрацию и проблемы, связанные с обработкой и утилизацией больших количеств избыточного ила. Аэробный процесс используется при очистке бытовых, некоторых промышленных и свиноводческих сточных вод с ХПК не выше 2000. Исключить указанные недостатки аэробных технологий может предварительная  анаэробная обработка концентрированных сточных вод методом метанового сбраживания, которая не требует затрат энергии на аэрацию и более того сопряжена с образованием ценного энергоносителя – метана.

    Преимуществом анаэробного процесса является также относительно незначительное образование микробной биомассы. К недостаткам следует отнести невозможность удаления органических загрязнений в низких концентрациях. Но для глубокой очистки концентрированных сточных вод анаэробную обработку следует использовать в комбинации с последующей аэробной стадией (Рис. 1.).

 
Рис. 1. Сравнение материального  и энергетического  балансов методов  аэробной и анаэробной очистки сточных  вод.

    Выбор технологии  и особенности обработки сточных вод определяются содержанием органических загрязнений в них. 

    2. Особенности анаэробных процессов, происходящих при биологической очистке

    Итак, анаэробная биохимическая очистка (метановое брожение или ферментация) - это минерализация органического вещества промышленных или бытовых стоков в результате его окисления при содействии анаэробных микроорганизмов в процессе использования ими этого вещества в качестве источника питания.

    Процессы  анаэробного окисления протекают  без доступа молекулярного кислорода, при этом источником кислорода в  воде служат кислородосодержащие анионы: и т.д. В основе метода лежит способность определенных микроорганизмов в ходе своей жизнедеятельности сначала гидролизовать сложные органические соединения, а затем с помощью метанообразующих бактерий превращать их в метан и угольную кислоту. В качестве примера можно привести две возможные схемы процессов ферментации глюкозы:

    1)

    

    2)

    

   Биологическое разложение сложных органических соединений происходит в течение нескольких фаз, следующих друг за другом, в результате воздействия различных групп бактерий. В это время постоянно образуются и разлагаются различные промежуточные продукты. Очень укрупненно можно выделить четыре основные стадии (Рис.2).

    Рис.2 Стадии биологического                              разложения сложных органических               соединений

    При анаэробном преобразовании органических субстратов в метан под воздействием микроорганизмов (бактерии, анаэробный ил) должны быть последовательно реализованы четыре стадии разложения. Отдельные группы органических загрязнений (углеводы, протеины, липиды/жиры) в процессе гидролиза преобразуются сначала в соответствующие мономеры (сахара, аминокислоты, жирные кислоты). Далее эти мономеры в ходе ферментативного разложения (ацидогенеза) преобразуются в короткоцепочечные органические кислоты, спирты и альдегиды, которые затем окисляются дальше в уксусную кислоту, что связано с получением водорода. Только после этого доходит очередь до образования метана на этапе метаногенеза. В качестве побочного продукта наряду с метаном образуется также и углекислый газ (СО2) (Рис.3).

                          Рис. 3.Этапы разложения анаэробного преобразования

    Все процессы преобразования тесно взаимосвязаны  друг с другом и должны протекать  в емкости анаэробного реактора в строго установленном порядке, т.к. любое нарушение одного из промежуточных этапов приводит к нарушению всего процесса. Поэтому для больших объёмов очистки требуется точное проектирование очистных сооружений и их настройка на соответствующую сточную воду.

     Для сточных вод с однородным составом на практике осуществляются далеко не все возможные реакции разложения. На так называемом адаптивном этапе осуществляется выбор определенного пути разложения органических веществ в результате жизнедеятельности соответствующих микроорганизмов.

    В зависимости от того, какой класс  органических веществ преобладает в сточной воде, меняется состав биогаза и доля метана в нем. Углеводы в большинстве случаев разлагаются легко, однако они дают сравнительно меньшую долю метана. При разложении жиров и масел образуется большее количество биогаза с высоким содержанием в нем метана, однако разлагаются они очень медленно.

    Кроме того, жирные кислоты, образующиеся как  побочные продукты при разложении жиров  и масел, могут препятствовать всему  процессу разложения.

    Для практики эксплуатации очистных сооружений, прежде всего, очень важен тот факт, что все эти различные фазы должны протекать в сточной воде одновременно. Разложение сложных органических веществ до метана будет происходить настолько быстро, насколько быстро в сточной воде будут образовываться вещества, пригодные для питания метанобразующих бактерий. Метанобразующие бактерии могут использовать в качестве питательного субстрата уксусную кислоту, водород (Н2), оксид углерода (СО2) или метанол (для очистных сооружений несущественно).

    Процессы  гидролиза и солюбилизации нерастворимых в воде веществ (полимеры, эмульсии...) протекают медленно и требуют создания системы с длительностью пребывания в течение многих дней.

    Однако  в большинстве своем лимитирующей фазой по скорости протекания реакций является ацетогенная фаза (процесс образования уксусной кислоты). При пуско-наладочных работах, особенно при нештатных ситуациях или при превышении проектной нагрузки на анаэробные очистные сооружения, концентрация органических кислот, особенно пропионовой и уксусной, может сильно повыситься. Высокая концентрация органических кислот в комбинации с вытекающим из этого низким значением рН тормозит протекание ацетогенных и метаногенных процессов. В экстренных случаях очень низкое значение рН может привести к подавлению жизнедеятельности биоценоза очистных сооружений.