Очистка сточных вод

скую реакцию с находящимися в воде примесями, что способствует полному выделению нерастворимых примесей, коллоидов и части растворимых соединений.

    Физико-химические  методы дают возможность резко  инсифицировать механическую очистку сточных вод. Применяется коагуляция, сорбция, ультразвук, озонирование, адсорбция ит.д.

   Чаще всего  применяют флотацию. Её процесс  заключается в слипании частиц примесей и пузырьков воздуха, диспергированных в воде, и всплывании комплексов пузырек-частица на поверхность воды; таким образом происходит концентрирование частиц в образовавшемся пенном слое, который затем удаляется с поверхности воды. Существует несколько методов флотации, различающихся в основном способом диспергирования воздуха в воде.

   Напорная флотация. Наибольшее распространение получил  напорный метод, при котором часть поступающих на очистку сточных вод насыщается воздухом под давлением. После сброса давления растворенный воздух выделяется из сточных вод, образуя пузырьки диаметром 30-120 мкм, на которые налипают частицы загрязнений: в этом случае ускоряется всплытие последних на поверхность. Обычно рабочее давление в напорной ёмкости 0,3-0,5 МПа, время пребывания 1-2 мин.

  Реагентная флотация. Эффективность очистки флотацией  значительно увеличивается, если с целью интенсификации образования агрегатов пузырьки-частицы в воду одновременно с воздухом добавляют различные реагенты, которые увеличивают гидрофобизацию поверхности частиц, дисперсность и устойчивость газовых пузырьков.

  Сочетание напорной флотации с реагентной обработкой коагулянтами и флокулянтами позволяет рассчитывать на повышение очистки стоков (в %) от нефтепродуктов до 90-95 и от механических до 85-95.

   Глубокая доочистка  от примесей, оставшихся после  флотационной очистки, и от растворенных органических веществ осуществляется  на кварцевых и адсорбционных фильтрах с дополнительной обработкой воды перед фильтрами коагулирующими и флокулирующими реагентами. Очищенную воду в зависимости от степени очистки можно сбрасывать в водоем ил направлять на повторное использование.

   Озонирование. Озон  обладает высокой окислительной  способностью и даже при небольших температурах разрушает многие вредные органические примеси, находящиеся в воде. В процессе озонирования идет одновременное окисление, обесцвечивание, дезодорация, обеззараживание сточной воды и насыщение ее кислородом. Достоинством метода является то, что в очищаемую воду не надо вносить химических реагентов. [10]

 

1.1.3 Биологическая очистка сточных вод

   При биологической очистке растворенные органические вещества подвергаются с помощью микроорганизмов распаду в присутствии кислорода (аэробный процесс) или же его отсутствие (анаэробный процесс). При этом имеет место прирост бактериальной массы (активный ил или биопленка). Контактируя с органическими веществами, микроорганизмы частично разрушают их, превращая в воду, диоксид углерода, нитрит- и сульфат-ионы и др. Другая часть вещества идет на образование биомассы. Разрушение органических веществ называют биохимическим окислением. Некоторые органические вещества способны легко окислиться, а некоторые не окисляются совсем или окисляются очень медленно.

   В состав активного ила и биопленки входят живые организмы и твердый субстрат. 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.

   Скопления бактерий в активном иле окружены слизистым слоем (капсулами). Такие скопления называются зооглеями. Они способствуют улучшению структуры ила, его осаждению и уплотнению. Слизистые вещества содержат антибиотики, способные подавлять ниточные бактерии. Соотношение капсульных и бескапсульных штаммов называют коэффициентом зооглейности. Бактерии, лишенные слизистого слоя, с меньшей скоростью окисляют загрязнения.

   На процесс биологической очистки оказывают влияние различные факторы, одни из которых поддаются изменению и регулированию в широких диапазонах, регулирование же других, таких, как например, состав поступающих на очистку сточных вод, практически исключено. К основным факторам, определяющим пропускную способность системы, и степень очистки сточной воды, относятся: наличие кислорода в воде, равномерность поступления сточной воды и концентрация в ней примесей, температура, рН среды, перемешивание, присутствие токсичных примесей и биогенных элементов, концентрация биомассы и др.

  Наиболее благоприятные условия очистки заключаются в следующем.

Концентрация в очищаемых  сточных водах биохимически окисляемых веществ не должна превышать допустимую величину МК_б или МК_бос, которая устанавливается обычно опытным путем .Сточные воды с более высокой концентрацией необходимо подвергать разбавлению. ПДК веществ при поступлении на сооружения биологической очистки приведены в справочной литературе.

  Снабжение сооружений биохимической очистки кислородом воздуха должно быть непрерывным и в таком количестве, чтобы в очищенной сточной воде, выходящей из вторичного отстойника, его было не менее 2 мг/л. Скорость растворения кислорода в воде не должна быть ниже скорости его потребления микроорганизмами. В начальный период окисления скорость потребления кислорода может в десятки раз превышать ее в конце процесса, она зависит от характера загрязнения воды и пропорциональна количеству биомассы.

  Оптимальной температурой для аэробных процессов, происходящих в очистных сооружениях, считается 20-30˚С, хотя температурный оптимум бактерий различных групп варьируется в широких пределах, от -8 °С до +85 °С. Повышение температуры за пределы физиологической нормы микроорганизмов приводит к их гибели, а понижение лишь снижает активность микроорганизмов. С повышением температуры уменьшается растворимость кислорода в воде, поэтому в теплое время года надо проводить более интенсивную аэрацию, а в зимнее – поддерживать более высокую концентрацию микроорганизмов в циркулирующем иле и увеличивать продолжительность аэрации.[25]

 

1.1.4 Биохимическая очистка сточных вод

   Биохимическая очистка сточных вод является одним из основных методов глубокой очистки сточных вод. Она позволяет удалить из сточных вод разнообразные органические соединения при несложном аппаратурном исполнении и сравнительно невысоких эксплуатационных затратах.

   Недостатками биоочистки  являются большие капитальные  затраты, необходимость строгого соблюдения технологического режима очистки и разбавления сточных вод в случае высокой концентрации примесей, предварительного удаления токсичных веществ. При биоочистке вещества, содержащиеся в сточных водах, не утилизируются, а перерабатываются в избыточный ил, также требующий обезвреживания. Тем не менее биохимическая очистка получила широкое распространение как метод, позволяющий очищать воды от многих органических и некоторых неорганических загрязнений с целью возврата вод в оборотные системы охлаждения и таким образом значительно уменьшать сброс сточных вод в водоемы.

   Биологическое обезвреживание  сточных вод химических производств основано на способности гетеротрофных организмов использовать в качестве источников питания разнообразные неорганические и органические соединения, подвергая их биохимическим превращениям. [25]

   Ни одно из органических  соединений, образующихся в результате  жизнедеятельности различных организмов, не накапливается на земле. Важную роль в превращении этих органических веществ играют микроорганизмы. [24]Однако присутствие в сточных водах химических производств сложных органических соединений потребовало разработки методов очистки сточных вод и предотвращения их попадания в водоемы. Распространение получил биологический метод с использованием процесса метаболизма (обмена веществ) бактерий активного ила. Активный ил представляет собой сложный комплекс микроорганизмов различных классов, простейших микроскопических червей, водорослей. [4]

   1.1.4.1 Аэробные методы очистки

   Аэробные процессы биохимической очистки могут протекать в природных условиях и в искусственных сооружениях. В естественных условиях очистка происходит на полях орошения, полях фильтрации и биологических прудах. Искусственными сооружениями являются аэротенки и биофильтры разной конструкции. [2] Тип сооружений выбирают с учетом местоположения завода, климатических условий, источника водоснабжения, объема промышленных и бытовых сточных вод, состава и концентрации загрязнений. В искусственных сооружениях процессы очистки протекают с большей скоростью, чем в естественных условиях. [4]

   1.1.4.2 Удаление соединений азота

   В неочищенных сточных вода, основная масса азота (60-70%) находится в виде азота аммонийного. Если происходит попадание в канализационную систему сточных вод от сельхозугодий, то в воде может содержаться небольшое количество нитратов. Основные виды азотсодержащих соединений и процессы их трансформации приведены на рис.1.

   Первый процесс – образование иона аммония из органических соединений. Этот процесс называется аммонификацией и осуществляется ферментами, продуцируемыми микроорганизмами. Азот используется для роста микроорганизмов, и таким образом часть неорганического азота переходит во вновь образующиеся бактериальные клетки.При большом возрасте ила и достаточно высокой температуре, происходит устойчивое накопление нитрифицирующих бактерий, и аммонийный азот окисляется сначала до нитритного, а затем – нитратного. Процесс называется нитрификацией и осуществляется только при наличии растворенного кислорода.

   Образовавшийся азот нитратный может использоваться для окисления органических соединений, восстанавливаясь до свободного азот (N₂), который отдувается при аэрировании в атмосферу. Этот процесс многостадийный. Азот нитратный сначала восстанавливается в азот нитритный (NO₂), затем в закись азота (N₂O) и, наконец, в молекулярный азот. Процесс этот называется денитрификацией и протекает в отсутствии кислорода, но при наличии органических соединений. [25]

 

 

Аммонификация		Нитрификация		Денитрификация
Азот в органических соединениях		Азот аммонийный		Нитраты		Молекулярный азот
Ассимиляция

Рис.1 - Трансформация азотсодержащих соединений

      

    1.1.4.3 Нитрификация

   Преобразование аммонийного азота в сточных водах – процесс, протекающий с потреблением кислорода. Большинство бактерий-нитрификаторов – облигатные аэробные микроорганизмы, автотрофы, что означает, что они нуждаются в кислороде, т.к. получают энергию за счет окислительно-восстановительных реакций. Данные микроорганизмы используют неорганический углерод, как единственный источник углерода. Активный ил содержит только 1-2% нитрифицирующих бактерий.

   В общем виде уравнение окисления аммонийного азота имеет следующий вид:

NH⁺₄+2O₂

NO₃^-+H₂O+H⁺

   Преобразование аммонийного азота в нитритный осуществляется бактериями вида Nitrosomonas, а нитритного в нитратный – Nitrobacter. В отличие от деструкции органических соединений, продукты нитрификации не безопасны. Нитраты – биогенный элемент, который может стимулировать процесс эвтрификации (зарастания) водоема, а также снижение рН.

   Для окисления одной молекулы азота аммонийного требуется две молекулы кислорода (4 атома). Т.е. теоретически для окисления 1 грамма азота аммонийного до азота нитратного требуется 4,6 грамма кислорода.

   В процессе нитрификации образуется кислота (Н⁺). В количестве 2 эквивалента на 14 г азота – или приблизительно 0,14 эквивалента/г N. При низкой щелочности воды в водоеме-приемнике сточных вод, нитрификация может вызвать значительное снижение рН. Уменьшение рН приводит к ингибированию процесса нитрификации, лучшие результаты имеют место при рН 7-9 (оптимум рН 8). Для  поддержания рН в оптимальной области возможно добавление извести.

   Энергетический коэффициент при нитрификации невелик, что в свою очередь обуславливает низкие удельные скорости роста автотрофных микроорганизмов. Поэтому для осуществления устойчивого процесса нитрификации необходимо поддерживать постоянно высокий возраст ила. Упомянутый возраст или определяется отношением общей массы ила в системе к скорости его удаления из системы, однако, при расчете нитрификации необходимо учитывать только массу ила, находящегося в аэробных условиях.

   Удельная  скорость роста нитрификаторов, как и другие биологические  процесс, чрезвычайно чувствительная  к температурному режиму. [25]

   1.1.4.4 Очистка в естественных условиях

   Поля орошения - это специально подготовленные земельные участки, используемые одновременно для очищения сточных вод и агрокультурных целей. [2] Очистка сточных вод в этих условиях идет под действием почвенной микрофлоры, солнца, воздуха и под влиянием  жизнедеятельности растений.