Биологические методы очистки воды

Биологическая очистка применяется для удаления органических веществ из городских и промышленных сточных вод. Бактерии, вносимые в воду при контролируемых условиях, потребляют для своего питания содержащиеся в воде органические вещества и образуют в качестве побочного продукта газы — С02 в аэробных условиях, и СН4 в анаэробных условиях.

Для существования водных организмов необходимы благоприятные физические (температура, осмотическое давление, свет) и химические условия.

Различают следующие группы бактерий — теплолюбивые, которые приспособлены к обитанию в условиях постоянно высоких температур (45 — 75) °С, термофилы, способные жить в широком интервале температур (25 — 60) °С, и психрофильные (холодолюбивые), которые предпочитают температуру от 0 до 30 °С.

Большая часть бактерий лучше развивается при средних температурах. Для нормального развития бактерий необходимо учитывать глубину проникновения солнечного света, содержание кислорода и pH воды (оптимальные значения pH от 6,5 до 8,5).

Автотрофные организмы, к которым относятся водоросли и некоторые виды бактерий, способны самостоятельно синтезировать пищу из углекислого газа и воды. Пищей для других видов организмов являются более сложные углеродсодержащие органические вещества.

Биологическое потребление кислорода — показатель загрязнения воды, характеризующий способность бактерий переваривать органические вещества: БПК5 определяет количество кислорода, которое за установленное время (обычно 5 сут) при температуре 25 °С пошло на окисление предварительно засеянного образца. Время 5 сут достаточно для биологического окисления фракции углеродсодержащих органических веществ, находящихся в стоках городских вод. Обычно за это время происходит окисление органического или аммонийного азота. Полная аэробная очистка требует 20 сут (БПК20) — время, необходимое для окисления сложных азотсодержащих биоразлагаемых соединений, таких как протеины и белки.

В процессе метаболизма происходит воспроизводство всех клеток и образование нового клеточного вещества. Элементами, необходимыми для биосинтеза, являются С, Н, О, S и Р. Все эти элементы в виде различных соединений присутствуют в коммунальных стоках. В промышленных сточных водах иногда бывает недостаточно соединений, содержащих фосфор. В этом случае в промышленные воды вводят дополнительные вещества для питания бактерий.

Аэробные бактерии — самый большой класс бактерий, для существования которых необходим кислород.

Они потребляют кислород и в виде побочного продукта выделяют С02. В глубоких водоемах в поверхностном слое воды благодаря присутствию кислорода существуют аэробные организмы. Часто наблюдается совместное присутствие в водоемах водорослей и аэробных бактерий. Водоросли выделяют кислород, а бактерии его поглощают. Количество выделяемого водорослями кислорода зависит от количества солнечного света. По окончании периода роста водоросли увядают и превращаются в богатый источник органических веществ для бактерий. В условиях изобилия питательных веществ сначала наблюдается интенсивное развитие бактерий, а процессе которого происходит потребление растворенного кислорода. При этом накапливаются отходы в виде ила, которые оседают на дно водоемов. По мере уменьшения количества питательных веществ и истощения запасов кислорода рост бактерий замедляется.

Существование водной биоты зависит от присутствия в воде питательных веществ. На количество популяций оказывает также влияние наличие в воде токсичных веществ. Поэтому стоки должны быть подготовлены к проведению биологической очистки.

В промышленных условиях очистка стоков от углеводородов происходит в три этапа: обезжиривание, физико-химическая очистка и биологическая очистка.

Обезжиривание позволяет удалить большую часть механических эмульсий и углеводороды, существующие в виде поверхностных пленок и капель.

Физико-химическая очистка способствует удалению мелких взвесей типа тины и продуктов коррозии, а также масляных эмульсий.

Биологическая очистка позволяет удалить растворенные и способные к биоразложению соединения — альдегиды, фенолы, растворители, ароматические соединения, органические аммонийные соединения.

В наиболее простом виде аэробная биологическая очистка осуществляется в естественных условиях — в водоеме или бассейнах.

В почве сточные воды подвергаются окислительному действию почвенных микроорганизмов. В результате совокупного действия микроорганизмов происходит окисление органических веществ до газообразных продуктов и воды. В общем виде реакцию можно представить так:

(5.48)

Одновременно окисляются сера и фосфор, входящие во многие органические соединения, соответственно до SO^- и РО4 .

К искусственным сооружениям аэробной биологической очистки относятся биофильтры, аэрофильтры и аэротенки. Принцип их работы остается таким же, как и в естественных условиях. Однако вследствие выбора наиболее благоприятных условий для микроорганизмов — температуры, условий аэрации, pH среды — процессы биологического окисления резко интенсифицируются.

Биологические бассейны представляют собой неглубокие водоемы для биологической очистки сточных вод за счет процессов самоочищения. На дне водоема интенсивно размножаются личинки насекомых, черви, моллюски. За сутки они биологически окисляют массу веществ, в 4 —6 раз превышающую их собственную массу. В системах с высокоскоростной аэрацией размножение бактерий происходит по экспоненциальной зависимости и образуется большое количество ила.

Аэротенк представляет собой резервуар глубиной 3 —6 м, снабженный устройством для аэрации. Поступающая вода смешивается с активным илом. Ил потребляет легкоусваиваемые органические вещества и поступает вместе с водой во вторичный отстойник, где отделяется от очищенной сточной воды (рис. 5.20).

При обычной системе очистки сточные воды первоначально проходят песколовку и очищаются в первичном отстойнике, где БПК5 снижается на 35 — 40%, а концентрация взвешенных частиц — на 50 %. Жидкость, сливаемая из первичного отстойника, подается в аэротенк, где в течение 6—8 ч проводится аэрация.

Затем сточная вода из аэротенка направляется во вторичный отстойник, где активный ил осаждается. Часть ила возвращают в поток сточных вод из первичного отстойника. Избыточное количество ила можно направить на захоронение или использовать в качестве удобрений.

Контроль за количеством органических примесей, присутствующих в сточных водах, ведут по величине БПК5. Наиболее легко

биохимическому окислению подвергаются одно-, двух- и трехатомные спирты, органические кислоты, альдегиды, углеводы, простые эфиры. Труднее вода очищается от алканов, ди- и гри- этиленгликолей, ароматических соединений и СПАВ. Некоторые вещества являются токсикантами для микроорганизмов. Их концентрация в сточных водах, поступающих на биологическую очистку, не должна превышать определенного уровня (табл. 5.14).

Таблица 5.14. Предельно допустимая концентрация некоторых загрязняющих веществ, поступающих со сточными водами на биологическую очистку

Интенсифицировать процесс биологической очистки можно при замене воздуха, используемого для аэрации, на чистый кислород.

Анаэробные системы обычно применяются для очистки сточных вод с высоким содержанием органических соединений. Они предназначены преимущественно для минерализации органических веществ, растворенных в сточных водах.

Аэробный процесс протекает в три стадии: гидролиз органических соединений; перевод сложных органических соединений в жирные и карбоновые кислоты; ферментация простых органических соединений с образованием метана, углекислоты, воды, водорода и оксида углерода.

Под действием микроорганизмов в анаэробных условиях в осадке происходит следующее: изменяется его физическая структура, что облегчает последующее высушивание осадка; уменьшается его масса, так как часть органических веществ распадается в результате брожения; горючие газы, образующиеся при брожении органических осадков, могут использоваться в качестве топлива, а осадок от брожения — в качестве удобрения; снижается степень загрязнения осадка патогенными микроорганизмами.

Анаэробный пруд представляет собой бассейн, в который подаются сточные воды. Обычно в процессе брожения на поверхности пруда образуется толстая корка, которая препятствует проникновению кислорода. В анаэробном пруду происходит превращение веществ, содержащих углерод, в органические кислоты и спирты, а затем — в метан. Белковые вещества превращаются в метан, сульфаты восстанавливаются до сульфитов. Анаэробная очистка протекает медленнее, чем аэробный процесс. Продолжительность пребывания сточных вод в пруду составляет 30 сут, а перегнива- ние осадка продолжается 60—180 сут. За это время разлагается 45 — 60% органического вещества.

Загрязнение природных вод минеральными формами азота — одна из главных проблем биологической очистки промышленных вод. Сточные воды, содержащие большое количество минерального азота, характерны для пищевой, нефтеперерабатывающей, химической промышленности. Трансформация форм азота осуществляется в результате микробиологических процессов.

Споровые палочки Bacillus subtilis (сенная палочка) и Bacillus mesentericus (картофельная палочка) приводят к аммонизации белков, а уробактерии разлагают мочевину с образованием С02 и NH3.

Рис. 5.21. Схема метанотенка: 1— смеситель; 2— нагреватель

Нитрифицирующие бактерии рода Nitrosomonas окисляют аммиак до нитрита, а бактерии рода Nitrobacter окисляют нитриты до нитратов:

(5.49)

(5.50)

В анаэробных условиях происходит микробиологическое восстановление нитратов. В присутствии метилового спирта, выступающего донором водорода, эту реакцию записывают схематично:

.              _              .              (5.51)

Чередование аэробных и анаэробных условий обработки в процессах биохимической очистки позволяет уменьшить содержание в сточных водах соединений фосфора на 90 — 95%, азота — на 97-99%.

На практике для проведения комплексной биологической очистки большое распространение получили метанотенки (рис. 5.21).

Метанотенк — аппарат, предназначенный для анаэробной переработки осадков, а также избыточного ила аэротенков. Интенсификация распада органических соединений достигается искусственным подогревом и перемешиванием. Большинство метанотенков работают при температуре 30—35 °С (до 50—55 °С). Повышение температуры не только ускоряет процесс, но и делает его более глубоким.