Исследование свойств активного ила

Биологические методы очистки применяется в первую очередь для очистки сточных вод, содержащих органические загрязнители. Сущность метода заключается в минерализации органических загрязнителей активным илом. Активный ил – это скопление бактерий, простейших организмов, водорослей, использующих органические соединения сточной воды, прежде всего в качестве источников углерода в процессе питания. Внешне активный ил представляет собой коричневые хлопья размером до сотен микрометров; при этом он состоит примерно на 70 % из живых организмов и на 30 % из частиц неорганической природы. Живые организмы вместе с твердым носителем, к которому они при- креплены, образуют зооглей – симбиоз популяций организмов, покрытый общей слизистой оболочкой. Аэробная очистка стоков включает в себя следующие стадии: 1) адсорбция субстрата на клеточной поверхности; 2) расщепление адсорбированного субстрата внеклеточными ферментами; 3) поглощение растворенных веществ клетками; 4) рост и эндогенное дыхание; 5) высвобождение экскретируемых продуктов; 6) «выедание» первичной популяции организмов вторичными потребителями. Органические и некоторые виды неорганических загрязняющих веществ используются бактериальной клеткой в двух направлениях: 1. Биологическое окисление в присутствии кислорода до безвредных продуктов углекислого газа и воды: Органическое вещество + О2 (в присутствии ферментов) → СО2 + Н2О + Q Выделяющаяся при этом энергия используется клеткой для обеспечения своей жизнедеятельности (движение, дыхание, размножение). 2. Синтез новой клетки (размножение): Органическое вещество + N + P + Q (ферменты) → НОВАЯ КЛЕТКА Интенсивность и глубина протекания процессов зависит от качественного состава активного ила, разнообразия форм и видов микроорганизмов, способности их адаптации к конкретному составу загрязняющих веществ сточной воды и условий проведения процесса. Активный ил значительно ускоряет процессы окисления и очистки сточных вод в результате поглощения его частицами органических веществ и бактерий. Микробы сточной воды, в том числе и болезнетворные, адсорбируются активным илом и погибают или становятся активными агентами ила. Доза активного ила зависит от илового индекса, который характеризует способность активного ила к оседанию, представляющим собой объем в миллилитрах, занимаемый 1 г ила в его естественном состоянии после 30-минутного отстаивания. Ил с индексом до 120 мл/г оседает хорошо, с индексом 120-150 мл/г – удовлетворительно, а при индексе выше 150 мл/г – активный ил занимает большой объём, становится лёгким, теряет хлопьевидную структуру, плохо оседает, не уплотняется. Естественная биологическая очистка осуществляется на полях орошения, полях фильтрации, в биологических прудах, искусственная – в аэротенках и биофильтрах. Поля орошения – участки земли, подготовленные для естественной биологической очистки сточных вод и выращивания сельскохозяйст венных растений. Поля фильтрации – участки земли, приспособленные для естественной биологической очистки сточных вод путём фильтрации их через почвенные горизонты. Биофильтр – сооружение для биологической очистки сточных вод. Представляет собой круглый или прямоугольный в плане резервуар с двойным дном, наполненный фильтрующим материалом (котельный шлак, гранитный щебень, гравий, керамзит и др.). При прохождении сточной воды через фильтрующий материал на его поверхности образуется биологическая плёнка из скоплений бактерий, грибков, окисляющих и минерализующих органические вещества сточной воды. Аэротенк – сооружение для биологической очистки сточных вод. Представляет собой бетонный или железобетонный проточный резервуар, разделённый перегородками на ряд коридоров. Коридоры оснащены аэраторами, через которые подаётся воздух для снабжения кислородом искусственно вносимого активного ила и его перемешивания со сточными водами. Сточная вода, протекая по аэротенку, очищается в результате окисления содержащихся в ней органических загрязнений микроорганизмами активного ила. Для очистки большинства сточных вод концентрация активного ила в аэротенке изменяется от 1 до 20 г/л. Избыток активного ила может перерабатываться двумя способами: после высушивания как удобрение или же попадает в систему анаэробной очистки. Такие же способы очистки применяют и при сбраживании высококонцентрированных стоков, содержащих большое количество органических веществ. Процессы брожения осуществляются в специальных аппаратах – метатенках. Распад органических веществ состоит из трех этапов: растворение и гидролиз органических соединений, ацидогенез и метаногенез. Процесс протекает в две основные стадии; на первой образуются органические кислоты, на второй образовавшиеся кислоты преобразуются в метан и диоксид углерода. Основная реакция метанообразования СО2 + 4Н2А → СН4 + 4А + 2Н2O, где Н2А – органическое вещество, содержащее Н2. Метан может образовываться в результате распада уксусной кислоты СН3СООН → СН4 + СО2, СО2 + 4Н2 → СН4 + 2Н2O. Получаемый в метантенках газ содержит до 60-65% метана, 32-35% диоксида углерода, некоторые количества водорода, сероводорода, азота и др. и может использоваться в качестве горючего. Полного сбраживания органических веществ в метантенках достичь нельзя. В среднем степень распада органических веществ составляет около 40 %.

Для очистки сточных вод от крупных механических примесей во избежание засорения труб, каналов и насосов гидросистемы осуществляется процеживание. С этой целью применяют решетки и сита с ячейками различных размеров в зависимости от характера загрязнения вод. Решетки бывают подвижными и неподвижными. Очистка их от крупных частиц производится с помощью специальных граблей [48].

Отстойники и песколовки предназначены для предварительной очистки сточных вод от минеральных и органических твердых загрязнений с частицами сравнительно больших размеров (0,2-0,25 мм) [48].

Скорость движения воды в отстойнике невелика (0,3 м/с). Недостатками отстойников являются сравнительно низкая эффективность, невысокая скорость удаления частиц, большие габаритные размеры аппаратов, значительный расход материалов (металла, бетона) для их изготовления [48].

В песколовки часто ставят элеватор для беспрерывного удаления песка. В отстойниках и песколовках происходит осаждение частиц под действием силы тяжести. Из бункера их регулярно удаляют в виде шлама. Всплывающие вредные вещества (нефть, масла, смолы, жиры) собираются с помощью нефтеловушек, особенностью которых является удаление загрязнений не снизу, как в отстойниках, а из верхней части аппарата. После нефтеловушек (как и после отстойников) вода нуждается в дополнительной очистке, так как эти аппараты имеют низкую степень очистки (около 70%) [48].

Рис. Схема отстойника

Фильтрование применяют для удаления из сточных вод частиц малых размеров. Вода под действием давления проходит через пористые перегородки или слой песка [48, 50]. Схема простейшего механического фильтра приведена на рис. 16.

Рис. Схема механического фильтра

Фильтрующий слой аппарата необходимо время от времени промывать от накопившихся загрязнений. Для этого в фильтр снизу подается промывочная вода. При концентрации частиц 15-20 мг/л степень очистки мелких частиц достигает 60%. Недостатками фильтров являются значительная металлоемкость и сложность системы промывки [48, 50].

Центрифугирование как метод очистки производится за счет осаждения частиц под действием центробежной силы. С этой целью применяются гидроциклоны. По конфигурации и действию они аналогичны циклонам, используемым для очистки газов от пыли (рис. 6). Степень очистки в гидроциклонах выше (достигает 70%), чем в других аппаратах механической очистки [48, 50].

Процесс укрупнения мелких частиц (1-100 мкм) с последующим удалением их под действием силы тяжести называется коагуляцией [50]. Если удаляются частицы, удельный вес которых ниже удельного веса воды (эмульгированные частицы масел, жира и т.д.), то в этом случае процесс называется флокуляцией [50]. По аналогии с отстойником и нефтеловушкой в коагуляторах и флокуляторах удаление происходит соответственно из нижней или верхней части аппарата. При коагуляции в воду добавляют коагулянты (соли алюминия, железа или их смеси), которые образуют хлопья гидроксидов металлов, осаждающие частицы под действием силы тяжести. В качестве флокулянтов используют крахмал, декстрин, эфир, диоксид кремния[48, 50].

Флотация применяется для удаления частиц, которые плохо отстаиваются, и для растворенных веществ, в том числе поверхностно-активных, отходов нефтепереработки, производств искусственного волокна, в целлюлозно-бумажном производстве и т.д. Флотацию называют иногда пенным концентрированием. Размер частиц составляет 0,2-1,5 мм. В качестве пенообразователей в воду добавляют сосновое масло, креозол, фенолы, способствующие прилипанию частиц к пузырькам пены, которая затем выводится из аппарата. Флотация имеет высокую степень очистки (95-98%), снижает концентрацию легкоокисляемых веществ, уменьшает количество бактерий и микроорганизмов. Недостатком флотации является применение экологически вредных веществ, например, фенолов [50].

Адсорбция используется для глубокой очистки сточных вод от фенолов, пестицидов, ароматических соединений, красителей и т.д. Адсорбция – это прилипание частиц, находящихся в очищаемой среде, к твердым веществам – сорбентам. В качестве сорбентов применяют активированные угли, синтетические сорбенты, некоторые отходы производства (золу, шлаки, опилки). Процесс происходит в адсорбционных установках при перемешивании адсорбента с водой, при фильтровании ее через слой адсорбента или в кипящем слое. При этом размер частиц сорбента составляет 0,1 мм. Серьезной проблемой является последующая очистка (регенерация) сорбента. Преимуществами адсорбции являются высокая степень очистки (80-95%), возможность улавливания токсичных веществ при невысокой их концентрации, возможность очистки сточных вод, содержащих несколько вредных веществ, а также рекуперация (доиспользование) этих веществ [50].

Ионный обмен применяется для очистки сточных вод от металлов и соединений мышьяка, фосфора, цианидов и радиоактивных веществ. Он применяется также для обессоливания и подготовки воды для нужд энергетики. Ионный обмен представляет собой процесс взаимодействия раствора с твердой фазой, обладающей способностью обменивать ионы, содержащиеся в ней, на другие ионы, присутствующие в растворе. В качестве твердой фазы (ионитов) применяют алюмосиликаты, силикагели, гидроксиды алюминия, хрома и т.д. Преимуществами ионного об­мена являются возможность извлекать ценные вещества из загрязнений, высокая степень очистки, удаление высокотоксичных веществ, в том числе суперэкотоксикантов. Это метод дорогой и требует четкой организации процесса, а также решения вопросов регенерации ионитов [50].

Экстракция используется при относительно высокой концентрации вредных веществ (фенолов, масел, органических кислот, ионов металлов), которая должна составлять не менее 3 г/л. При меньшей концентрации экономически выгоднее применять адсорбцию. Процесс экстракции включает в себя три стадии: интенсивное смешение сточной воды с экстрагентом (органическим растворителем), разделение чистой воды и загрязнений, регенера­ция загрязнений. Этот метод применяют в том случае, когда стоимость удаляемых веществ (например, ценных металлов) компенсирует затраты на проведение процесса [50].

Обратный осмос – это процесс фильтрования растворов через полупроницаемые мембраны. Он происходит на молекулярном уровне и требует значительных затрат, но обеспечивает глубокую очистку от высокотоксичных вредных веществ [50].

Десорбция, дезодорация и дегазация представляют собой процессы очистки сточных вод от летучих примесей (сероводорода, аммиака, диоксида углерода). Эти процессы проводятся за счет продувки воды воздухом или инертным газом. Дезодорация очищает воду от меркаптанов, аминов, альдегидов; с помощью дегазации из воды удаляют вещества, способствующие коррозии [50].

Электрохимические методы очистки включают в себя анодное окисление, катодное восстановление, электрокоагуляцию, электрофлокуляцию и электродиализ. Эти процессы происходят при пропускании через сточную воду электрического тока. Общим недостатком методов является большой расход электроэнергии. Электрохимическими методами извлекаются цианиды, роданиды, амины, спирты, сульфиды, меркаптаны. Электродиализ применяется для опреснения соленых вод с использованием ионизированных веществ [48, 50].

При наличии в сточных водах кислоты или щелочи производится их нейтрализация, показатель рН должен находиться в пределах от 6,5 до 8,5. Нейтрализовать сточные воды можно смешением одних вод с другими (кислых с щелочными), добавлением необходимых реагентов, фильтрованием кислых вод через нейтральные материалы, пропусканием через ще­лочные воды кислых газов.

Окисление сточных вод производится хлором, перекисью водорода, кислородом воздуха, диоксидом марганца, озоном [50].

Восстановление используется для удаления из сточных вод со­единений ртути, хрома, мышьяка, для чего в воду вводят сульфит железа, гидросульфит натрия, гидрозин, сероводород или алюминиевую пудру [50].

Удаление ионов тяжелых металлов производится реагентным методом. Ртуть, хром, кадмий, цинк, свинец, медь и никель удаляются с помощью гидроксидов кальция и натрия, карбонадов и сульфидов натрия, феррохромного шлака и т.п. [50].

Биологические методы очистки сточных водоснованы на способности некоторых микроорганизмов использовать вредные (чаще всего органические) вещества для своего питания в процессе жизнедеятельности. Контактируя с этими веществами, микробы частично разрушают их, превращая в воду, диоксид углерода, нитрит- и сульфат-ионы и др. Микроорганизмы используются в виде активного ила или биопленки. Биохимическая очистка сточных вод может осуществляться в природных условиях (на полях орошения, в биологических прудах) или в искусственных сооружениях (аэротенках, биофильтрах) [48].

При использовании биологических методов очистки сточных вод возникают проблемы сохранения активного ила (он не выдерживает низкой температуры), а также удаления и рационального использования продуктов процесса (в том числе взрывоопасных метана и водорода). Кроме того, появляется необходимость доочистки твердых осадков [48].

Если другие методы очистки малоэффективны, то производится выпаривание воды. При этом конденсат используется в производстве, а концентрированный раствор из отходов сжигается. Сжигание концентрированных стоков производится, как правило, в печах с кипящим слоем или в циклонных печах [48, 49].

При выборе оптимального метода очистки сточных вод необходимо учитывать следующее [48, 49]:

- санитарные и технические требования к качеству очищенных вод с учетом их дальнейшего использования;

- количество сточных вод;

- наличие у предприятия энергетических и материальных ресурсов и производственных площадей, необходимых для очистки воды;

- эффективность процесса обезвреживания отходов производства.

Дезинфекции (обеззараживанию) подвергают стоки перед спуском в водоемы. При этом уничтожают болезнетворные микробы и другие бактерицидные загрязнения, чем сокращают вероятность экологических рисков в водной среде. Для обеззараживания наиболее широко применяют хлорирование газообразным хлором или хлорной известью [48].

В результате очистки из сточной воды удаляют неорганические примеси, присутствующие в ней в виде взвесей, растворенных и коллоидных веществ разной дисперсности. О качестве очистки судят по степени осветления воды и содержанию вредных растворов, концентрация которых должна быть минимальной. Экологически особо опасны растворы тяжелых металлов и химически вредных веществ.

В результате очистки помимо очищенной и осветленной воды образуется большое количество осадка, состоящего из твердых обильно увлажненных веществ. В сыром состоянии осадок является экологически опасным, так как насыщен бактериями. Для уменьшения органических веществ осадок подвергают воздействию аэробных микроорганизмов. Обеспечивают сбраживание в соответствующих сооружениях [49].

Хорошо очищенный осадок органического происхождения используют в сельском хозяйстве как удобрение. Основным условием такой утилизации является проверка на вредные примеси типа тяжелых металлов и других канцерогенных веществ. В некоторых случаях осадок применяют в качестве топлива [49].

В последнее время ученые ведут исследования, направленные на более широкое применение твердых осадков, остающихся в результате очистки сточных вод. Проводят опыты получения кормовых добавок для скота и полезного для промышленности вторичного сырья. Такие решения могут смягчить экологическую обстановку на урбанизированных территориях.