Бытовые сточные воды. Источники образования, количество и состав хозяйственнобытовых сточных вод

• Название: Источники образования, количество и состав хозяйственнобытовых сточных вод
• Анкор: Бытовые сточные воды.doc
• Дата: 28.10.2017
• Размер: 0.58 Mb.
• Имя файла: Бытовые сточные воды.doc
• Тип: Документы; #9893
• Категория: Промышленность. Энергетика
• страница: 2 из 6

СУЩНОСТЬ ПРОЦЕССОВ, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ПРИ ОЧИСТКЕ ХОЗЯЙСТВЕННО-БЫТОВЫХ СТОЧНЫХ ВОД

Биологические процессы

Удаление органических загрязнений

Способность бактерий использовать в процессе своей жизнедеятельности в качестве питания различные органические и минеральные вещества сточных вод является основой процессов биологической очистки. Бактерии имеют очень разнообразные филологические возможности в отношении питательных веществ и условий окружающей среды, что позволяет удалять из сточных вод практически любые органические соединения.

В клетках бактерий одновременно протекает множество биохимических реакций. Ферменты, ускоряющие биохимические реакции, имеют высокую каталитическую активвность, т.е. эффективно снижают энергию активации, необходимую для осуществле­ния реакции, благодаря тому, что способствуют образованию промежуточных про­летов, требующих меньшей энергии.

Считается, что механизм действия ферментов заключается в следующем: белок феpмeнтa связывается в одной или нескольких точках с молекулой субстрата, образуя феpмeнтcyбcтpaтный комплекс, ослабляющий внутримолекулярные связи субстрата.

Образование комплекса теоретически обосновал Михаэлис и в дальнейшем эта реакция была подтверждена экспериментально. В результате было получено известное Уравнение Михаэлиса-Ментена:

p = p_maxL/(K_e+L) (1)

где: р - удельная скорость ферментативной реакции;

р_mах - максимальная скорость реакции при отсутствии лимитирования субстратом;

К_е - константа насыщения;

L - концентрация субстрата.

Скорость ферментативной реакции возрастает с увеличением концентрации субстрата до определенного предела.

Ферменты вырабатываются клеткой в соответствии с ее потребностями и их содержание может колебаться в значительной степени. Ферменты имеют высокую спе­цифичность, а их активность зависит от различных факторов (температуры, рН, со­става питательной среды, наличия токсических веществ).

Для процессов окисления органического вещества особенно важны ферменты, относящиеся к группе оксиредуктазы: дегидрогеназы, каталазы и пероксидазы.

Самый распространенный в природе способ окисления органического вещества -дегидрирование, а все известные дегидрогеназы делятся на анаэробные и аэробные. В процессе дегидрирования анаэробные дегидрогеназы передают водород органическим соединениям или аэробным дегидрогеназам. Аэробные дегидрогеназы в качестве ак­цептора используют только кислород.

Бактериальное разложение органических веществ может происходить в ана­эробных и в аэробных условиях.

Основное отличие анаэробного сбраживания от аэробного окисления заключа­ется в том, что при разложении органического вещества в анаэробных условиях акцеп­тором электронов может служить либо связанный кислород органических и неоргани­ческих соединений (анаэробное дыхание), либо промежуточные продукты реакции при сопряженном окислении-восстановлении одних и тех же молекул субстрата (брожение), а не молекулярный кислород. В обоих процессах энергия, получаемая клеткой при разложении органического вещества, запасается в макроэргических связях АТФ. При отщеплении от АТФ одной грамм-молекулы фосфата выделяется до 42 кДж энергии, которая используется клеткой во всех обменных реакциях, требующих за­трат энергии.

Анаэробные бактерии по сравнению с аэробными менее эффективно используют энергию, получаемую при фосфорилировании. Это обусловливает значительно мень­ший прирост биомассы микроорганизмов в анаэробных условиях по сравнению с аэробными при одинаковом количестве переработанных питательных веществ.

Анаэробный процесс проходит в две стадии. На стадии кислого брожения в результате гидролиза белков образуются полипептиды и аминокислоты, которые в конечном счете при отщеплении от них аминогруппы превращаются в жирные кисло­ты.

Жиры разрушаются с образованием глицерина и жирных кислот.

Углеводы в анаэробных условиях также разрушаются до кислот жирного ряда.

Таким образом, на стадии кислого брожения образуются жирные кислоты (наиболее часто уксусная, муравьиная, пропионовая и масляная кислоты), двуокись уг­лерода, аммоний, сероводород, спирты, кетоны, ацетон, уксусный альдегид.

На стадии метанового брожения образовавшиеся жирные кислоты, спирты и т.д. разлагаются до метана, двуокиси углерода, водорода.

Основными процессами, используемыми при биологической очистке, являются аэробные, при которых органические вещества окисляются в конечном счете до угле­кислоты и воды. Клетки получают биологически полезную энергию за счет фермента­тивных реакций, в ходе которых электроны переходят с одного энергетического уровня на другой. Для большинства организмов конечным акцептором электронов служит кислород. Передача электронов кислороду происходит при участии системы переноса электронов, которая последовательно передает их различным компонентам системы и в конце концов присоединяют их к кислороду, активируя его. Активиро­ванный кислород вступает в реакцию с ионизированным атомом водорода, образуя воду или перекись водорода. В ходе ферментативных реакций энергия электронов связывается в макроэргических связях АТФ.

Любая окислительная реакция сопровождается реакцией восстановления. Пе­редача электронов через систему переноса электронов, происходящая путем ряда по­следовательных реакций окисления-восстановления, является биологическим окислени­ем.

Снижение скорости окисления органических веществ при биологической очистке сточных вод наблюдается при наличии токсических веществ, накоплении продуктов метаболизма, слишком высокой концентрации субстрата. Для образования и постоянного накопления энергии в процессе окислительного обмена в аэробных условиях чрезвычайно важно снабжение клетки кислородом и его концентрация в среде. Особенно большое влияние на скорость ферментативных реакций содержание кислорода оказывает при отсутствии лимитирования процесса субстратом, а при снижении концентрации субстрата влияние концентрации кислорода снижается.

Увеличить общую скорость окисления органического вещества сточных вод можно повышением биомассы микроорганизмов, участвующих в процессе. Пропор­циональность между скоростью окисления и биомассой микроорганизмов существует до определенного предела, выше которого удельная скорость окисления существенно снижается за счет ухудшения массообмена, межвидовой и внутривидовой конкурен­ции, повышения концентрации продуктов метаболизма. В этом случае величина инги-бирующего фактора пропорциональна биомассе микроорганизмов.

При внесении поправок, связанных с влиянием содержания органических ве­ществ, кислорода, биомассы микроорганизмов, уравнение Михаэлиса-Ментона при­нимает вид:

(2)

где: Со - концентрация растворенного кислорода;

K₁ - константа, характеризующая свойства органических веществ;

К_о - константа, характеризующая влияние кислорода;

Y - коэффициент ингибирования продуктами распада активного ила. В этом виде уравнение /2/ внесено в нормативные документы (СНиП 2.03.04-85. Канализация. Наружные сети и сооружения) в качестве одной из основных расчетных формул, характеризующих биологическую сущность процессов очистки сточных вод.

При окислении органического вещества часть энергии рассеивается, часть пере­дается до тех пор, пока весь углерод органического вещества не будет окислен до СО₂() и воды, следовательно, не исчерпается запас энергии органического вещества. Каждое вещество имеет определенный запас энергии или нуждается в определенном количестве кислорода для полного окисления. Потребное для полного окисления ко­личество кислорода (БПК) является мерой количества органического вещества, спо­собного окисляться бактериями в аэробных условиях. При оценке степени разложения органического вещества в анаэробных условиях и определении эффективности рабо­ты анаэробных сооружений, где кислород не потребляется, показатель БПК приме­няться не должен.

Некоторые бактерии участвуют в нескольких этапах разложения вещества: на­пример, могут использовать белки, а затем углеводы, окислять спирты, а затем альде­гиды, элементарный, а затем связанный азот и т.д. Но некоторые бактерии могут по­треблять только определенные вещества, не используя другие. Одни виды бактерий могут вести окисление органического вещества до конца - до образования углекислого газа и воды, другие - до промежуточных продуктов, которые в свою очередь могут являться субстратом для других видов бактерий. Поэтому при очистке сточных вод, содержащих разнообразные органические и минеральные вещества, используют только смешанную культуру бактерий, которая обладает широким спектром физиоло­гических возможностей и устойчивостью к воздействию внешних факторов.

Процессы, в результате которых молекулы органических веществ разрушают­ся, а их энергия запасается в биологически доступной форме - катаболические процес­сы - тесно связаны с анаболическими процессами - процессами биосинтеза, в ходе ко­торого из мелких молекул строятся более крупные и используется энергия макроэргических связей.

При быстром росте клетке приходится расходовать большую часть всей выра­батывающейся энергии на процессы биосинтеза, в частности на биосинтез белков. В быстро растущей бактериальной клетке до 90% всей энергии, затрачиваемой на био­синтез, может уходить на синтез белков. Даже клетке, которая не увеличивает свою массу, приходится затрачивать значительную часть энергии на осуществление катаболических и анаболических процессов, так как составляющие клетку молекулы непре­рывно расщепляются и синтезируются вновь (процесс эндогенного дыхания).

Обычно бактерии размножаются делением клетки надвое с очень высокой ско­ростью, поддерживать которую можно только при условии постоянного поступления питательных веществ и удаления продуктов распада.

Бактериальная клетка имеет плотную оболочку. Питательные вещества посту­пают в бактериальную клетку, при условии их растворения в воде или липоидах, че­рез всю поверхность клетки. Возможность проникновения вещества в клетку зависит прежде всего от его химической структуры, степени диссоциации, способности адсор­бироваться на поверхности клетки и растворяться в ее компонентах или вступать с ними в реакции.

Так, жирные кислоты с одной карбоксильной группой легче проникают в клетку, чем соответствующие аминокислоты или оксикислоты. Двухосновные кислоты с окси- или аминогруппой поступают в клетку еще медленнее. Глицерин, имеющий три оксигруппы, проникает в клетку значительно медленнее, чем этиловый спирт и этиленгликоль.

Скорость проникновения минеральных солей в клетку невелика и зависит от их концентрации, степени диссоциации, рН, состава минеральных солей. Наличие одного из ионов может влиять на скорость проникновения другого. Проницаемость изме­няется следующим образом: К > Na > Zn > Mg > Ва > Са; J > Вr > N0_43_0 > Сl > SO₄. Проницаемость клетки для данного катиона уменьшается под действием катиона, находящегося в этом ряду справа, нейтрализуя таким образом возможное токсическое действие металлов.

Подавляющее большинство видов бактерий питаются как сапрофиты, т.е. го­товым органическим веществом, и используют в процессе дыхания кислород (аэробы). Масса питательных веществ, перерабатываемых клеткой за сутки, превышает ее вес в 30-40 раз.

Некоторые виды бактерий растут и размножаются только в отсутствии свобод­ного кислорода, получая энергию при анаэробном разложении органических веществ и накапливая частично окисленные промежуточные продукты. Бактерии, живующие только в отсутствии кислорода - облигатные анаэробы - при наличии свободного кис­лорода быстро погибают. Факультативные анаэробы растут и размножаются одинако­во хорошо в присутствии и в отсутствии кислорода.

Видовую принадлежность бактерий определяют по морфологическим призна­кам, по цвету колоний, методом окраски по Граму. Однако наиболее важными явля­ются биохимические методы идентификации, основанные на определении природы веществ, используемых в качестве питательного субстрата, или выделяемых в процессе метаболизма, отношении к кислороду, способу получения энергии. Так, например, обя­зательный обитатель кишечника человека кишечная палочка Escherichia coli, являю­щаяся индикатором фекального загрязнения вод, способна сбраживать лактозу, а ти­фозная палочка и Shigella не обладают такой способностью. При очистке сточных вод обычно встречаются бактерии следующих родов: Pseudomonas, Bacillus, Micrococcus, Flavobacterium, Achromobacter, Alkaligenes, Acinetobacter и др.

Культура бактерий, развивающаяся в сточных водах, рост которой поддержи­вается за счет постоянной подачи питательных веществ со сточными водами (органические и минеральные загрязняющие вещества) и кислорода воздуха в качестве акцептора электронов при окислении органики, а продукты распада отводятся с очи­щенной водой, образует активный ил или биопленку, имеющие специфическую струк­туру, позволяющую с помощью довольно простых технических средств поддерживать относительно высокую биомассу бактерий.

Активный ил и биопленка представляют собой сообщество организмов, основ­ную часть которого составляют бактерии, в незначительном количестве присутствуют различные виды простейших, коловратки, некоторые виды червей.

Простейшие, присутствующие в активном иле или биопленке, непосредственно­го участия в окислении органического вещества не принимают. Они питаются бакте­риями и мельчайшими свешенными веществами, находящимися в воде. Это обуслав­ливает их роль в очистке сточной воды: поедая клетки бактерий простейшие способ­ствуют омоложению активного ила, присутствие простейших стимулирует рост бакте­рий, простейшие снижает общее количество единичных бактериальных клеток в очи­щенной воде, в том числе и патогенных. На разных этапах очистки, при разных усло­виях ее проведения преобладают разные группы простейших, что позволяет с большой степенью достоверности использовать их в качестве индикаторных оганизмов.

Например, в условиях работы аэротенков в режиме полного окисления с ин­тенсивным процессом нитрификации в активном иле в массовом количестве присут­ствуют кругло- и брюхоресничные инфузории, коловратки, малощетинковые черви. При органической перегрузке, недостатке кислорода и др. Появляются бесцветные жгу­тиковые, равноресничные инфузории, переносящие повышенную концентрацию орга­нических веществ и дефицит кислорода в воде. В работе Ц.И.Роговской /8/ представле­ны список индикаторных организмов, характеризующих работу очистных сооружений, список веществ, подвергающихся биологическому окислению, их биологическая по­требность в кислороде.

В смешанной культуре микроорганизмов широкие физиологические свойства от­дельных видов бактерии дополняются внутривидовыми и межвидовыми взаимоотно­шениями между бактериями, а также бактериями и простейшими, что определяет спо­собность активного ила и биопленки быстро адаптироваться к меняющимся условиям внешней среды и создавать устойчивые биологические системы для очистки сточных вод.

Все необходимые питательные вещества бактерии получают из сточной воды, поэтому ее качественный и количественный состав, а также условия проведения очистки - концентрация растворенного кислорода, рН, температура, наличие токсиче­ских примесей - имеют большое значение для получения высоких и устойчивых показа­телей качества очищенной воды.

Процессы биологического окисления органического вещества хозяйственно-бытовых сточных вод осуществляются в биопрудах, на биофильтрах или в аэротенках. Наиболее распространенным и эффективным методом является метод аэрации активно­го ила в аэротенках.

Условная химическая формула активного ила, которая варьирует в зависи­мости от условий процесса очистки, имеет вид C₅0H₇0₂N. Основными химическими соединениями органического вещества активного ила являются белки - 56-58%, жиры - 21-22%, углеводы - 4-5% от общего органического вещества активного ила.

Самым важным свойством активного ила, позволяющим поддерживать относи­тельно высокую биомассу бактерий в аэротенке, является его способность образовы­вать хлопья, оседающие при отстаивании иловой смеси. Без этого никакие другие, са­мые благоприятные условия не могут обеспечить работоспособность традиционного аэротенка. Величина хлопка, его плотность, компактность зависят при прочих благоприятных условиях прежде всего от величины органической нагрузки на ил коли­чества органического вещества по БПКполн. в мг, приходящегося на 1 г органического вещества активного ила в сутки.

Обычно аэротенки работают при нагрузках 400-500 мг/(г.сут).

При нагрузке ниже 30 мг/(г.сут) активный ил теряет способность к хлопьеобразованию, хлопок распадается на отдельные бактериальные клетки, не оседающие во вторичных отстойниках, и в аэротенке невозможно поддерживать необходимую кон­центрацию активного ила. Обычно в аэротенках поддерживается доза активного ила 1,5-3 г/л, а при благоприятных условиях - до 4-6 г/л.

Количество растворенного кислорода, поступающего в иловую смесь, должно быть достаточным для окисления поступающего органического вещества и эндоген­ного дыхания бактерий.

Концентрация кислорода в иловой смеси для поддержания благоприятных условий очистки должна быть не ниже 2 мг/л.

Отрицательное воздействие на физиологическое состояние активного ила ока­зывает недостаток биогенных элементов: азота, фосфора, калия, магния, кальция, серы и др. Как правило, в хозяйственно-бытовых сточных водах этого недостатка не бывает;

более того, эти элементы, особенно азот и фосфор присутствуют в избытке, и основ­ная задача состоит в том, чтобы удалить их из очищаемой воды.

Эффективность очистки сточных вод активным илом в значительной степени зависит от температуры воды. Считается, что оптимальный диапазон температур 20-25° С. Повышение температуры, особенно резкое, до 28° С и выше ведет к изменениям в структуре активного ила и ухудшению его седиментационных свойств. Температура выше критической, которая может привести к гибели бактериальных клеток, практиче­ски не встречается при очистке хозяйственно-бытовых сточных вод. Значительно ча­ще на очистные сооружения поступает вода с пониженной температурой. По су­ществующим нормативам на биологическую очистку не следует подавать сточную воду с температурой ниже 6° С. При пониженной температуре снижается скорость окисления органического вещества, скорость адаптации микроорганизмов к новым за­грязняющим веществам, поступающим на очистку. Особенно сильное воздействие пониженная температура оказывает на скорость процессов нитрификации и денитрификации. При низкой температуре ухудшаются седиментационные свойства активного ила.

При практических расчетах скорость очистки сточных вод по БПК условно принимается равной единице при температуре 15° С, при другой температуре скорость очистки пересчитывается умножением на Т/15, где Т - температура воды, °С.

На физиологическую активность микроорганизмов активного ила оказывает влияние величина рН. При рН среды менее б и более 9 эффективность очистки сточ­ных вод резко снижается, что объясняется влиянием активной реакции среды на ско­рость ферментативных процессов. В условиях резко щелочной или кислой среды мо­жет произойти необратимая денатурация белков бактериальных клеток. Величина рН поступающей на очистку сточной воды обычно около 7. За счет процессов, происходящих в аэротенке, особенно нитрификации и денитрификации, активная реакция среды изменяется - при высокой эффективности очистки достигает 8 - 8,5. Это зави­сит также от буферности системы, в частности от величины щелочности сточной воды.

Отрицательное действие на процесс биологической очистки оказывают различ­ные токсические вещества органического и неорганического происхождения: это со­ли тяжелых металлов (медь, ртуть, свинец, хром и др.), четыреххлористый углерод, амиловый спирт, гидрохинон, хлорбензол, хлорвинил и др. Степень влияния токсиче­ских веществ зависит от степени адаптированности активного ила и его дозы, темпера­туры, рН, количества и вида других присутствующих в сточной воде загрязнений. Ток­сические органические вещества в концентрациях ниже предельно допустимых могут использоваться бактериями активного ила в качестве питательного субстрата и таким образом удаляться из сточной воды. Поэтому так важно устройство на промышлен­ных предприятиях локальных очистных сооружений и соблюдение требований, предъявляемых к производственным сточным водам при приеме их на городские очистные сооружения. Механизм действия токсических веществ очень различен.

Так, малые концентрации синильной кислоты или ее солей инактивируют один из дыхательных ферментов - цитохромоксидазу; ПАВ снижают поверхностное натя­жение, что создает неблагоприятные условия для микроорганизмов.

Основная математическая модель процесса окисления органического вещества (снижения БПК), используемая при расчете необходимого времени аэрации сточной воды в аэротенке, приведена в виде расчетной формулы в СНиПе 2.04.03-85:

(3)

где: L_en и L_ex - БПКполн. поступающей в аэротенк и очищенной воды;

а_i - доза активного ила в аэротенке;

S - зольность активного ила;

р - удельная скорость окисления органического вещества загрязнений, определяемая по формуле (2).

В США для расчета аэротенков наибольшее развитие получили четыре модели:

Экенфельдера, Годи, Маккини и Лоуренса-Маккарти. В странах Западной Европы для расчета объемов сооружений часто пользуются рекомендациями ATV (aeration tank volume), которые представлены в виде таблиц. При расчете аэротенков по всем этим моделям результаты получаются близкими и в практических целях может быть использована любая.

При окислении органического вещества часть его идет на построение клеток бактерий, т.е. увеличение биомассы активного ила. Образующийся в результате при­роста избыточный активный ил должен регулярно удаляться из системы для поддер­жания заданной дозы и нормальной работы вторичного отстойника.

Аэротенки, работающие при нагрузках менее 150 мг/(г.сут) называются аэротенками полного окисления или аэротенками с продленной аэрацией. В отличие от обычных аэротенков в аэротенках полного окисления происходит более глубокая очистка сточных вод - содержание растворенных органических веществ по БПКполн. составляет около б мг/л, однако за счет более высокой концентрации взвешенных ве­ществ ВПК очищенной воды возрастает в 2 и более раз. Интенсивно идет процесс нитрификации, образуется значительно меньше избыточного активного ила, причем образующийся осадок минерализован и не требует дополнительной стабилизации.

Расчет удельного расхода подаваемого в аэротенк воздуха производится по ко­личеству органического вещества по ВПК, подлежащего удалению из обрабаты­ваемой сточной воды.

Аэротенки со взвешенным активным илом при традиционных нормативных ор­ганических нагрузках не могут обеспечить удаление органических загрязнений сточных вод до концентраций по ВПК и взвешенным веществам ниже 10-15 мг/л, при этом уда­ление азота составляет 30-40%, фосфора - менее 20%.

С точки зрения технологии для совершенствования аэротенков наиболее пер­спективным является изучение совместного проведения процессов окисления органиче­ского вещества, нитрификации-денитрификации, биологического удаления фосфатов.

На биофильтрах контакт сточной воды с биопленкой осуществляется в течение нескольких минут. За это время происходит в основном сорбция органических ве­ществ и не может осуществляться глубокое удаление из воды растворенных органиче­ских загрязнений. Сорбированные вещества затем окисляются бактериями, образую­щими биопленку. Качество очищенной на биофильтре воды не соответствует совре­менным требованиям. Но их особенность - образование биопзенки на поверхности за­грузочного материала - используется для усовершенствования технологии очистки в аэротенках, которое должно идти по пути снижения органической нагрузки (или уве­личения возраста активного ила), осуществляемого за счет увеличения длительности процесса, либо за счет увеличения концентрации активного ила. Повышение дозы взвешенного активного ила приводит к техническим трудностям при разделении иловой смеси во вторичных отстойниках, а также увеличению в несколько раз степени циркуляции активного ила.

Объединив преимущества биофильтра и аэротенка, можно получить сооруже­ние, в котором всегда есть запас биомассы микроорганизмов, и обеспечивается бо­лее высокое качество очищенной воды - аэротенки с прикрепленной микрофлорой (или аэротенки с затопленной загрузкой).

При использовании аэротенков-вытеснителей с прикрепленной микрофлорой по длине аэротенка на затопленной загрузке развивается биопденка, адаптированная к различным органическим нагрузкам: к высокой - в начале аэротенка, к понижающейся по мере очистки сточных вод - в конце аэротенка.

Скорость биологических процессов в прикрепленной микрофлоре зависит прежде всего от поверхности контакта биопленки с очищаемой водой. Свободный внутренний объем пористых загрузочных материалов зарастает бактериальной массой, а при увеличении толщины биопленки необходимо учитывать диффузионные процессы переноса органического вещества сточных вод во внутренние сдои биопленки. Во внут­ренних слоях может образовываться дефицит кислорода, что вызывает процесс денитрификации. В последние годы это подтверждено исследованиями многих авторов.

Изучением процессов биологической очистки с прикрепленной микрофлорой занимаются: НИИ ВОДГЕО, где большее внимание уделяете» использованию этой тех­нологии для очистки высококонцентрированных сточных вод; НИИКВОВ и Мосводо-каналНИИпроект, где основным направлением является интенсификация процессов очистки в традиционных аэротенках с помощью прикрепленной микрофлоры; АООТ ЦНИИЭП инженерного оборудования, где проводились исследования процессов глу­бокой очистки от органических загрязнений и нитрификации сточных вод.

При глубокой очистке на затопленной загрузке развиваются бактерии, адап­тированные к низким концентрациям органического вещества, и способные использо­вать его в качестве субстрата. Сооружения с прикрепленной микрофлорой могут обеспечить снижение концентрации органического вещества до величин менее 3 мг/л по БПКполн. и взвешенным веществам, а также азота аммонийного менее 0,5 мг/л, что зависит в основном от продолжительности глубокой очистки.