Биохимическое окисление

Сооружения биологической очистки технологических вод

Биохимические (биологические) методы применяют для очистки хозяйственно-бытовых и промышленных сточных вод от многих растворенных органических и некоторых неорганических (сероводород, сульфиды, аммиак, нитриты) веществ. Процесс очистки основан на способности микроорганизмов использовать эти вещества для питания в процессе жизнедеятельности, так как органические вещества для микроорганизмов являются источником углерода.

Биохимическое окисление

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.

Биохимическое окисление осуществляется сообществом микроорганизмов (биоценозом), включающим множество различных бактерий, простейших и ряд более высокоорганизованных организмов-водорослей, грибов и т.д., связанных между собой в единый комплекс сложными взаимоотношениями (метабиоз, симбиоз и антагонизм). Главенствующая роль в этом сообществе принадлежит бактериям, число которых варьирует от 10⁶ до 10¹⁴ клеток на 1 г сухой биологической массы (биомассы). Число родов бактерий может достигать 5... 10, число видов - нескольких десятков и даже сотен. Сообщество микроорганизмов представлено одними бактериями в том случае, если очистку проводят в анаэробных условиях (в отсутствие растворенного в воде кислорода). В производственных сточных водах встречается до 30 видов Bacterium. Эти бактерии усваивают нефть, парафины, нафтены, фенолы и другие соединения.

Среди бактерий в очистных сооружениях сосуществуют гетеротрофы и автотрофы, причем преимущественное развитие та или иная группа получает в зависимости от условий работы системы. Эти две группы бактерий различаются по своему отношению к источнику углеродного питания. Гетеротрофы используют в качестве источника углерода готовые органические вещества и перерабатывают их для получения энергии и биосинтеза клетки. Автотрофные организмы потребляют для синтеза клетки неорганический углерод, а энергию получают за счет фотосинтеза, используя энергию света, либо хемосинтеза путем окисления некоторых неорганических соединений (например, аммиака, нитритов, солей двухвалентного железа, сероводорода, элементарной серы и др.).

Микроорганизмы способны окислять многие органические вещества, но для этого требуется разное время адаптации. Легко окисляются бензойная кислота, этиловый и амиловый спирты, гликоли, хлоргидриды, ацетон, глицерин, анилин, сложные эфиры.

Вещества, находящиеся в сточных водах в коллоидном или мелкодисперсном состоянии, окисляются с меньшей скоростью, чем вещества, растворенные в воде.

Сточные воды, направляемые на биохимическую очистку, характеризуются величиной ВПК и ХПК.

ВПК - биохимическая потребность в кислороде, или количество кислорода, использованного при биохимических процессах окисления органических веществ (не включая процессы нитрификации) за определенное время инкубации пробы (2, 5, 8, 10, 20 сут), мг O₂/мг вещества. Например, БПК₅ - биохимическая потребность в кислороде за пять суток; БПК_п - полная биохимическая потребность в кислороде до начата процессов нитрификации, т.е. до появления нитритов в количестве 0,1 мг/л (примерно 20 сут), мг O₂/мг вещества;

ХПК - химическая потребность в кислороде, определенная бихроматным методом, т.е. количество кислорода, эквивалентное количеству расходуемого окислителя, необходимого для окисления всех восстановителей, содержащихся в воде, мг Ог/мг вещества.

Биохимической активностью микроорганизмов называют биохимическую деятельность, связанную с разрушением органических загрязнений сточных вод. Возможность биохимического окисления (биоразлагаемость сточных вод) характеризуется биохимическим показателем, т.е. отношением ΒΠΚ_полн/ΧΠΚ. Его значение колеблется в широких пределах для различных групп сточных вод: промышленные сточные воды имеют низкий биохимический показатель (0,05...0,3), бытовые сточные воды - свыше 0,5. При отношении (БПК/ХПК) 100% = 50% вещества поддаются биохимическому окислению. При этом необходимо, чтобы сточные воды не содержат и ядовитых веществ и примесей солей тяжелых металлов. Биохимический показатель необходим для расчета и эксплуатации сооружений для очистки сточных вод.

Для возможности подачи сточных вод на биохимическую очистку устанавливают максимальные концентрации токсичных веществ, которые не влияют на процессы биохимического окисления (МК₆) и на работу очистных сооружений (МК_б.о.с.). Для неорганических веществ, которые практически не поддаются биохимическому окислению, также устанавливают максимальные концентрации, при превышении которых воду нельзя подвергать биохимической очистке.

Оптимальной температурой для аэробных процессов, происходящих в очистных сооружениях, считается 20..30°С, при этом биоценоз при прочих благоприятных условиях представлен наиболее разнообразными и хорошо развитыми микроорганизмами. Микроорганизмы хорошо развиваются при оптимальных температурах и сохраняют свою жизнеспособность при колебаниях температур в значительных диапазонах.

Концентрация водородных ионов существенно влияет на развитие микроорганизмов. Значительная часть бактерий развивается лучше всего в среде нейтральной или близкой к ней, однако имеются виды, хорошо развивающиеся в кислой среде с pH 4...6 (грибы, дрожжи) или, наоборот, в слабощелочной среде (актиномицеты). Биологическая очистка наиболее эффективна, если значение pH не выходит за пределы 5...9, оптимальной считается среда с pH 6,5...7,5. Отклонение pH за пределы 5...9 уменьшает скорость развития.

Для нормального процесса синтеза клеточного вещества, а следовательно, и для эффективного процесса очистки сточной воды в среде должна быть достаточная концентрация всех основных элементов питания - органического углерода (БПК), азота, фосфора. Кроме основных элементов состава клетки (С, Ν, О, Н) для ее построения необходимы в незначительном количестве и другие компоненты. Достаточность элементов питания для бактерий в сточных водах определяется соотношением БПК : N : Р (азот аммонийных солей или белковый и фосфор в виде растворенных фосфатов).

Токсичным действием на биологические процессы могут обладать органические и неорганические вещества. Токсичное действие может быть и микробостатическим, если задерживаются рост и развитие микроорганизмов, и убивающим (микробоцидным). Большинство веществ проявляет то или иное действие в зависимости от концентрации их в очищаемой смеси.

Введение

Биофильтры — это сооружения, в корпусе которых размещается кусковая насадка (загрузка) и предусмотрены распределительные устройства для сточной воды. В биофильтрах сточная вода фильтруется через слой загрузки, покрытый пленкой из микроорганизмов.

В качестве загрузки используют различные материалы с высокой пористостью, малой плотностью и высокой удельной поверхностью: щебень, гравий, шлак, керамзит, керамические и пластмассовые кольца, кубы, шары, цилиндры, шестигранные блоки, металлические и пластмассовые сетки, скрученные в рулоны.