Очистка сточных вод

Важнейшая проблема экологической биотехнологии – очистка сточных вод. Потребность в воде в связи с ростом городов. Бурным развитием промышленности, интенсификацией сельского хозяйства огромна. Ежегодный расход воды на земном шаре по всем видам водоснабжения составляет 3300-3500 м³, при этом в сельском хозяйстве – 70% всего водопотребления. Для производств химической, целлюлозно-бумажной, энергетической промышленности, чёрной и цветной металлургии и бытовых нужд населения требуется также большое количество воды. Большая часть этой воды после её использования возвращается в реки и озёра в виде сточных вод.

Основная цель очистки сточных вод – удаление из них, взвешенных и растворимых органических и неорганических соединений до концентраций, которые не превышают заранее регламентированные предельно допустимые концентрации (ПДК). Общегородские сооружения включают несколько ступеней очистки: первичную (механическую), вторичную (биологическую), полную (доочистку). Биологическая очистка бытовых сточных вод производится в аэробных или анаэробных условиях. Сточные воды в городах чаще очищают аэробным способом.

Современные устройства и технологии для очистки воды. В процессах с участием активного ила основным типом оборудования является проточный аэрируемый биологический реактор (аэротенк). Аэротенк связан с отстойником, в котором вода осветляется. Часть ила, собирающегося в отстойнике, обычно вновь поступает в биологический реактор, в результате чего обеспечивается постоянная инокуляция реактора илом. Кроме того, рециркуляция увеличивает среднее время пребывания ила в системе, давая, таким образом, возможность присутствующим в нем микроорганизмам адаптироваться к имеющимся питательным веществам. Ил должен оставаться в аэробном биореакторе достаточно долго и для того, чтобы окислились все адсорбированные органические вещества.Диаграмма потоков сточных вод типовой промышленной установки для обработки их обработки при использовании активного ила указана на рисунке 14. 9.

Рис. 14.9. Обработка сточных вод при использовании

Активного ила

Аэротенк связан с отстойником, в котором вода осветляется. Часть ила, собирающегося в отстойнике, обычно вновь поступает в биологический реактор, в результате чего обеспечивается постоянная инокуляция илом. Кроме того, рециркуляция увеличивает среднее время пребывания ила в системе давая, таким образом, возможность присутствующим в нем микроорганизмам адаптироваться к имеющимся питательным веществам. Ил должен оставаться в аэробном биореакторе достаточно долго и для того, чтобы окислились все адсорбированные органические вещества.

Биологический капельный фильтр. В распространенном варианте очистки сточных вод с участием активного ила применяют, так называемые капельные, или перколяционные, биологические фильтры.

В биологическом фильтре популяции микроорганизмов существуют в виде пленки или слизистого слоя на поверхности твердой насадки, неплотно заполняющей резервуар (доля пустот составляет около 0,5 %); в таких условиях воздух легко поступает в нижние слои насадки. Использование термина «фильтр» для описания этой систем водоочистки не вполне удачно, поскольку механизм обезвреживания примесей здесь связан не с их механическим удержанием, а с процессами связывания и биологического окисления.

Подлежащие очистке сточные воды входят в контакт, прежде всего, с верхней частью неподвижного слоя, толщина которого составляет обычно от 1 до 3 м. Сточные воды подают непрерывно через сопла, расположенные над неподвижным слоем насадки, или периодически, с помощью вращающегося разбрызгивателя.

Скорость потока сточных вод должна быть достаточно низкой, чтобы слой насадки не оказался под водой. Для обеспечения нужной скорости переноса кислорода, поступающие в систему сточные воды должны обтекать покрытую слизью насадку достаточно тонким слоем, не препятствующим дыханию аэробных микроорганизмов, находящихся на наружной поверхности пленки. Воздух циркулирует через биологический фильтр благодаря естественному воздухообмену. Движущей силой воздухообмена является разность температур, создающаяся в фильтре за счет биологического окисления загрязняющих веществ, присутствующих в сточных водах.

Отверстия для поступления воздуха и связанные с ними вентиляционные трубопроводы (расположенные внутри фильтра) обеспечивают поступление воздуха в нижние и промежуточные слои насадки.

Устройство аэробного биофильтра. Биофильтры представляют собой сооружения со сплошными стенками и двойным дном: верхнее дно, в виде решетки, нижнее – сплошное (рис. 14.10).

В биофильтрах клетки микробов находятся в неподвижном состоянии на поверхности пористого носителя. Отстоянные сточные воды периодически равномерно орошают поверхность биофильтра. Просачиваясь через фильтрующий материал, они контактируют с биопленкой, органические вещества сорбируются на поверхности микробных клеток и окисляются в процессе микробного метаболизма. На разных уровнях биофильтра создаются свои ценозы микробов, которые порой резко отличаются по составу. Это вызвано тем, что по мере прохождения сточной воды через биофильтр за счет жизнедеятельности предыдущего ценоза меняется характеристика органических загрязнений воды, попадающей на следующий уровень.

Рис. 14.10.Конструкция аэробного биофильтра

Из рисунке видно, что фильтрующие элементы расположены сверху вниз и образуют 6 слоёв, каждый из которых несёт следующую функцию:

1 слой. Бактерии не только населяют всю массу биологической плёнки верхнего слоя, но и минерализуют органические вещества. Здесь же развивается микрофлора, усваивающая лёгкие соединения с большой скоростью.

2 слой. Зелёные и сине – зелёные водоросли разрастаются в верхних слоях биофильтра несколько глубже орошаемой зоны, а именно на уровень около 10 см. Они продуцируют кислород и фитонциды.

3 слой. Ниже, на глубине 10-59 см, обитают диатомовые водоросли, которым не нужен свет, но требуется кислород.

4 слой. Помере дальнейшего продвиженияводы происходит потребление всё более трудно усвояемых компонентов смеси и развиваются бактерии, разлагающие высокомолекулярные соединения.

5 слой. Простейшие, обитающие в этом слое, питаются бактериями.

6 слой. В самом нижнем слое биологического фильтра располагается зона червей. Черви проделывают ходы между частицами шлака, разрыхляют биологическую плёнку и тем самым облегчают доступ в неё кислорода.

Экстенсивная очистка сточных вод. Поля фильтрации – это специально подготовленные участки земли, предназначенные только для целей очистки. На них подается максимальное количество жидкости. Это участки с хорошо дренированными легкими песчаными почвами. Отведенная на них сточная вода медленно фильтруется через грунт (рис. 14.11). Возможности почвы к самоочищению не беспредельны. По этой причине сточные воды для данного метода необходимо разбавлять трех- и пятикратными объемами технической и хозяйственной питьевой воды для отделения в ней содержащихся взвешенных веществ.

Поля орошения – это участки земли, предназначенные для очистки сточных вод и выращивания сельскохозяйственных растений; вода на них подается по мере необходимости (рис. 14.12).

Рис. 14.13.Биологические пруды

Рис. 14.12.Поля орошения (сток в бороз-ды)

Рис. 14.11.Сточная вода для фильтрации

Сточные воды, предварительно осветленные, подаются в специальные борозды, просачиваются в почву, где и происходит окисление органических веществ почвенными микроорганизмами. Процесс самоочищения воды осуществляется в этих случаях за счет жизнедеятельности различных групп почвенных организмов – бактерий, низших грибов, водорослей, простейших, червей и членистоногих, а также бактериальной флоры сточной жидкости. Основные процессы протекают в верхних слоях почвы (0-40 см).

Биологические пруды – это искусственные водоемы, похожие на естественные, глубиной около 1 м, последовательно соединенные друг с другом. Сточная вода из биофильтров или аэротанков поступает в пруды, проходит через них и фильтруется. В биологических прудах колонии микроорганизмов свободно перемещаются в воде. Кислород поступает через поверхность и в результате фотосинтеза водорослей. Концентрация органического вещества должна быть не слишком высокой, иначе увеличится количество микроорганизмов, будет потреблен весь кислород, начнут преобладать анаэробные процессы и произойдет вторичное загрязнение воды. Пруды заселяют зеркальным карпом и разводят уток, которые не допускают образование плесени, закрывающей поверхность пруда. Жидкость, очищенная в прудах, имеет высокую прозрачность, но содержит обильный планктон (рис. 14.13).

Самоочищение водоемов. Вода и почва населены огромным количеством разнообразных микроорганизмов. Поэтому в них постоянно происходит разложение органических веществ, что приводит к самоочищению водоемов и почвы от многих веществ. Количественными показателями загрязненности воды служат микробное число, колититр, колииндекс. Сильно загрязненная вода – свыше 10000 клеток кишечной палочки в 1 л, удовлетворительная – 10 клеток в 1 л, хорошая – питьевая вода - 3 бактерии в 1 л и меньше.

Вода является естественной средой обитания многих микроорганизмов, чем она богаче органическими веществами, тем больше микробов в ней содержится. Ил содержит гораздо больше бактерий, чем сама вода.

В зоне чистой воды органическое вещество отсутствует. Наиболее богат бактериями верхний слой ила. В этой зоне содержится от 1 тысячи до 10 тысяч бактерий в 1 мл, кишечная палочка отсутствует. В зоне средней загрязненности содержится меньше органического вещества, сильнее происходит минерализация. При сильной загрязненности воды микроорганизмы поглощают органические вещества и их количество резко возрастает. Возросшая популяция микроорганизмов использует практически весь кислород, развивается анаэробная гнилостная микрофлора, в том числе и сульфатредуцирующие бактерии, в результате жизнедеятельности которых выделяется сероводород, погибают организмы, нуждающиеся в кислороде.

Присутствие кишечной палочки указывает на загрязнение воды выделениями животных и человека, как следствие, на опасность распространения инфекции при использовании такой воды. Фекальное загрязнение воды устанавливают по наличию в ней бактерий Bacterium parapolli и Bacillus aerogenos. За рубежом индикаторным микробом считают Streptococcus recalis.