Введение Загрязнение водных ресурсов

• Название: Введение Загрязнение водных ресурсов
• Дата: 01.07.2022
• Размер: 77.26 Kb.
• Имя файла: Shatetskaya_V_A_TBmd_1606a.docx
• Тип: Реферат; #622083
• страница: 5 из 7

Биологические очистные сооружения

Биологические очистные сооружения играют доминирующую роль в общем комплексе очистных сооружений завода. В результате биологических процессов очистки сточные воды могут быть очищены от многих органических и некоторых неорганических примесей. Очистка осуществляется сложным сообществом микроорганизмов, среди которых бактерии, простейшие, ряд высших организмов, способных взаимодействовать при наличии растворенного в воде кислорода, то есть при аэробиозе. Загрязнения в сточной воде для этих микроорганизмов представляют собой источник питания, с помощью этих загрязнений микроорганизмы способны получать все самое нужное для своей жизнедеятельности, в первую очередь материалы и энергию, участвующие в восстановлении химических веществ их клеток, роста биомассы. Используя водные загрязнители в качестве питательных веществ, они тем самым

очищают от этих загрязнений воду, а также добавляют в очистные воды продукты обмена, которые выделяют во внешнюю среду.

На сегодняшний день система биологической индикации процесса биологической очистки не существует, и верно утверждать о разнообразии противоречивых данных, интерпретирующих взаимосвязь между качеством очистки и конкретными организмами. Это объясняется, прежде всего, характеристиками биоценоза активного ила, такими как высокие адаптационные свойства, что делает возможным развитие представителей одного и того же вида в условиях разных экологических зон. Также сложный комплекс факторов биотической и абиотической природы влияет на развитие активного ила.

Среди основных абиотических факторов, влияющих на биоценоз активного ила, выделяют температуру, состав сточных вод после процедуры очищения, концентрация токсикантов, способных оказывать влияние на жизнедеятельность микроорганизмов. Также абиотическим фактором является фактическая концентрация и состав растворенных в сточной воде питательных веществ, которые микроорганизмы используют в процессе жизнедеятельности. Абиотические и биотические факторы, влияющие на развитие активного ила, указаны в таблице 3.

Таблица 3 - Абиотические и биотические факторы, влияющие на развитие активного ила

Абиотические факторы	Биотические факторы
Нагрузка на активный ил по БПК	Постоянно присутствующая в среде обитания микрофлора и фауна
Химический состав сточных вод	Привнесенная микрофлора и фауна
Абиотические факторы	Биотические факторы
Токсиканты	Отношения хищник-жертва
Сбалансированность питательных веществ	Скорость репродукции

Продолжение таблицы 3

Абиотические факторы	Биотические факторы
Тип сооружения, определяющий размер биотопа (период аэрации, гидравлические нагрузки)
Кислород
Перемешивание иловой смеси
Температура, рН

Важнейшая характеристика состояния биоценоза активного ила заключается в его способности к флокуляции, которая в свою очередь зависит от условий формирования и развития активного ила. Структурой и биологическими свойствами активного ила определяются показатели эффективности и качества осуществляемой им биоочистки. В обычных условиях процесса очистки структура активного ила представляет собой хлопья средней плотности 1,1-1,37 г/см³ при размере от 53 до 212 мкм. Расположенные под поверхностью хлопьев изнутри клетки бактерий представляют собой незначительное количество одиночных бактерий, которые могут быть и не связаны с хлопьями, среди них палочки, кокки, спирохеты, микроскопические колонии палочек. Этими бактериями осуществляется синтезирование в окружающее их пространство внеклеточного полимера – полисахаридного геля. Благодаря синтезу полисахаридного геля происходит агрегация микроорганизмов, а затем и образование так называемых флокул, которые представляют собой хлопьевидные скопления микроорганизмов. Эффективность очистки сточной воды можно определить по способности активного ила к флокуляции, так как обеспечение высокой скорости окисления загрязнителей возможно только при наличии флокулированного состояния у активного ила.

Процесс полного биологического очищения проходит в три этапа. Первый этап протекает следующим образом. Сначала осуществляется

перемешивание сточной воды и активного ила. На поверхности ила происходят процессы адсорбции и коагуляции загрязнителей, то есть слипание и увеличение частичек, содержащих органические остатки. Процесс адсорбции состоит из двух не связанных между собой процессов хемосорбции и биосорбции, протекающей при наличии синтезируемого активным илом полисахаридного геля. Активный им имеет большую поверхность, грамм активного ила занимает площадь в 100 м². То есть на первом этапе очистки из сточных вод выделяются загрязнители механическим изъятием благодаря активному илу, а также начинается процесс биологического окисления простых органических соединений. Первый этап характеризуется высокой кислородопоглощаемостью из-за высокого концентрации загрязнителей в сточной воде, что ведет к почти полному потреблению кислорода в местах входа сточной воды в аэротенки. Концентрация органических загрязнителей, определяемая по показателю БПК₅, после первого этапа за 0,5-2,0 часа падает на 50-60%.

Полная биологическая очистка продолжается на втором этапе биосорбцией загрязнителей. На данном этапе ведется процесс активного их окисления экзоферментами. Эти вещества выделяются микроорганизмами активного ила в среду. В конце первого этапа очистки активность ила была сильно снижена, теперь благодаря снижению концентраций загрязнителей активность ила постепенно восстанавливается. По сравнению с началом очистки снижается скорость потребления кислорода, благодаря чему происходит накапливание в воде растворенного кислорода. Пролонгированность этапа зависит от изначального состава загрязнителей и их концентрации, обычно от 2 до 4 часов. По окончании второго этапа очистки благодаря экзоферментам окисляется 75% изначально присутствующих в сточной воде органических загрязнителей.

На третьем этапе происходит внутриклеточное питание активного ила. На данном этапе продолжаются процессы окисления загрязнителей, начатых на прошлых этапах. Также этап характеризуется процессами доокисления

более сложных органических соединений, превращением азота аммонийной соли в нитриты и нитраты, а также восстановлением ила. На данном этапе в процессе внутриклеточного питания образуется полисахаридный гель. Его вырабатывают бактериальные клетки. Снова растет скорость потребления кислорода. Третий этап занимает от 4 до 6 часов в процессе очистки бытовых сточных вод, а при очистке смешанных бытовых и производственных стоков может занимать до 15 часов.

Таким образом, весь трёхэтапный процесс очистки бытовых вод может занимать от 6 до 8 часов, а при очистке бытовых и производственных стоков от 10 до 20 часов.

Величина нагрузки загрязнителями, возраст активного ила и время его пребывания в аэротенке являются факторами, влияющие на успех эндогенной фазы питания. Для укрупнения хлопьев, улучшения флокулирующих свойств активного ила, способствования более активного гелеобразования необходимо создание благоприятного режима протекания фазы эндогенного питания, что осуществляется за счет снижения нагрузки на активный ил, увеличения его возраста и контроля за временем пребывания активного ила в аэротенке. При наличии залповых увеличений нагрузки, сокращении возраста, наличии токсических веществ в сточной воде процесс ферментативного окисления подавляется, ухудшается фаза эндогенного питания, а вследствие и качество очистки сточных вод.

О благополучии активного ила, как и о благополучии любого другого биоценоза, можно судить по его видовому разнообразию Чем выше видовое разнообразие активного ила, тем выше будет его устойчивость к разрушающему воздействию токсикантов, соответственно тем выше будет эффективность очистки сточных вод. Чтобы биоценоз активного ила был устойчив, в его состав должно ходить не менее 25 видов микроорганизмов.

Как и в любых других биоценозах, при наличии любых негативных факторов окружающей среды, наблюдается снижение видового

разнообразия, что характерно и для биоценоза активного ила. При наличии подавляющего фактора чувствительные микроорганизмы реагируют снижением численности, либо полным исчезновением. За счёт этого устойчивые к неблагоприятному фактору виды становятся более многочисленными. При длительном воздействии негативного фактора, чувствительные виды исчезают вовсе, и скоро мы наблюдаем максимальное увеличение численности самых устойчивых видов. При этом видовое разнообразие значительно сокращается.

Бактерии, простейшие организмы, одиночные бактерии, черви, плесневые грибы, дрожжи, актиномицеты, водоросли, личинки насекомых и рачков – вот приблизительный состав живых организмов, образующих биоценоз активного ила.

В зависимости от сочетания различных производственных факторов, в первую очередь от величины удельной нагрузки, формируется подходящий под каждое очистное сооружение состав активного ила. В зависимости от этапа очистки и ее целей, выделяют три вида активного ила:

1. 
   Позволяющий производить полное окисление;
   
2. 
   Производящий неполное окисление органических соединений;
   
3. 
   Производящий полное окисление с последующей нитрификацией.
   

Биологические очистные сооружения, позволяющие производить неполное окисление, обычно рассчитаны на очень высокие удельные нагрузки. Так, нормой для такого режима работы очистных сооружений является нагрузка в 400-600 мг на грамм активного ила. Вместе с этим происходит формирование биоценоза с низким видовым биоразнообразием. В таком актином иле содержится до 15 видов простейших, причем некоторые виды по численности превалируют над другими. Состав такого ила представлен жгутиконосцами, раковинными амебами, нитчатыми бактериями, крупными свободноплавающими инфузориями, бентосными раковинными амебами, мелкими корненожками.

При снижении удельной нагрузки на активный ил до 250-300 мг/г растворенные органические вещества в процессе полного окисления разрушаются полностью. Подобными очистными сооружениями пользуются для очистки сточных вод со смешанным составом. Биоценозы в таких системах очистки характеризуются видовым разнообразием, динамичностью, подвижностью, чуткой реакцией на воздействия извне. При регулярном поступлении одинакового количества и приблизительно одинакового состава загрязнителей, в процессе очистки не образуются количественно превалирующие виды, или их количество незначительно превосходит другие виды и этот вид нельзя назвать доминирующем. Неоднородные, многокомпонентные загрязняющие вещества предоставляют организмам активного ила условия для приобретения и сохранения необходимого уровня приспособленности в постоянно меняющихся условиях окружающей среды.

В режиме полного окисления и нитрификации азотосодержащих загрязняющих веществ удельные нагрузки не должны превышать 80-150 мг/г активного ила. Только при условии полного окисления поступивших в очистное сооружение растворенных в сточной воде органических веществ, при условии ненарушенного баланса их адсорбции и окисления, низкой нагрузке на ил, а также при условии развитого процесса нитрификации возможно формирование самого экологически совершенного биоценоза – нитрифицирующего активного ила. Хлопья такого нитрифицирующего активного ила обладают следующими свойствами: больший размер, компактность, лучшая оседаемость. Такой ил наполнен пузырьками воздуха, он обладает способностью самопроизвольной флотации, вызванной процессом денитрификации. В летнее время денитрификация, протекающая во вторичных отстойниках, способна снижать эффективность очистки сточных вод из-за повышенного выноса ила.

Видовое разнообразие биоценоза в нитрифицирующем активном иле отличается отсутствием доминирования одного из видов. Также в таком биоценозе наблюдается сложная экологическая структура, для которой

характерно высокое таксономическое разнообразие. Состав такого нитрифицирующего активного ила представлен 45 видами простейших. Почти полностью отсутствуют или минимально количество в биоценозе нитчатых бактерий, мелких бесцветных жгутиконосцев, мелких форм голых и раковинных амеб. Инфузории представлены доминирующими брюхоресничными и прикрепленными формами. Их жизненные циклы тесно связаны с отлично формирующимися в таком иле флокулированными хлопьями. В нитрифицирующем активном иле встречаются представители высшего звена пищевой цепи. Наличие хищников положительным образом сказывается на качество очистки сточных вод путем увеличения интенсивности обменных процессов. При этом количество хищников никогда не становится доминирующим. Состав хищников в нитрифицирующем активном иле представлен хищными коловратками, сосущими инфузориями, хищными грибами и червями рода Chaetogaster. Иногда возможно присутствие тихоходок.

Обычно в илах с низкой удельной нагрузкой поддерживается высокое биоразнообразие, что позволяет расширять возможности активного ила адекватно отвечать на постоянно меняющиеся условия среды, в том числе на негативные факторы воздействия. В связи с этим происходит увеличение его способности в поддержании эффективного и устойчивого качества очистки сточных вод. Биоценоз нитрифицирующего активного ила характеризуется структурной целостностью и удовлетворительным уровнем ферментативного окисления даже при наличии воздействия очень концентрированных сточных вод. Разрушить стабильность и способность к быстрой регенерации у биоценоза нитрифицирующего активного ила можно при чрезвычайных воздействиях. Например, при резком возрастании удельных нагрузок на активный ил при залповых сбросах, или при воздействии сильных токсикантов при авариях. Недостаток и дисбаланс питательных веществ также может нарушить работу этого ила.

При условии стабильности удельной нагрузки на активный ил, а также при условии отсутствия токсических веществ в сточной воде, проходящей очистные сооружения, большая часть состава популяции микроорганизмов напрямую зависит от хлопьев активного ила. При наличии крупных, компактных, флокулирующих хлопьев, биоценоз активного ила характеризуется возрастанием численности тех микроорганизмов, жизнь которых напрямую связана с этими хлопьями. Это ползающие брюхоресничные инфузории, прикрепленные инфузории, нематоды, коловратки и другие.

Вместе с тем, неблагоприятные условия работы с увеличением удельной нагрузки, поступление в сточной воде токсических веществ, различные нарушения технологических операций очистки ведут к тому, что хлопья ила уменьшаются в размере и в количестве. Они диспергируются. Из-за этого растет количество бактерий, жизнедеятельность которых не связана с хлопьями, и растет число тех организмов, которые питаются этими бактериями. Среди них свободноплавающие инфузории, мелкие раковинные амебы, жгутиконосцы.

Иногда образование хорошо флокулирующих хлопьев активного ила вообще невозможно. Например, при очистке сточных вод целлюлозно- бумажных комбинатов, или в процессе очистки сточных вод, содержащих сложноокисляемые соединения с содержанием фенола. Диспергированная микрофлора осуществляет очистку в таких случаях.

Также возможно дизбалансировка питания активного ила при поступлении избыточного активного ила в очистные сооружения. В таких случаях развивается нитчатое вспухание, нарушается флокуляция хлопьев, вместо округлой формы, хлопья становятся вытянутыми, перистыми.

Все три основных типа биоценозов активного ила, которые формируются при определённых условиях, способны обеспечивать определенную эффективность очистки сточной воды, которая прописывается в проекте биологических очистных сооружений. Каждое очистное

сооружение имеет своеобразный по собственной структуре биоценоз активного ила, со своими уникальными адаптационными свойствами, соответствующими составу сточных вод и режиму работы каждого конкретного очистного сооружения, при этом состав биоценоза основывается на общих закономерностях, описанных выше, а структура принадлежит к одному из определенных типов. Другими словами, структурный состав активного ила определяется исходя из проектных параметров, состава сточных вод и концентрации загрязняющих стоки веществ, соблюдения технологического режима эксплуатации очистных сооружений. Самым важным аспектом в работе является возможность поддержания соответствующего качества и количества активного ила. Для этого пользуются показателями дозы ила, илового индекса, зольности, возраста и прироста ила.

Кроме того, индикаторная оценка эффективности биоочистки учитывает в процессе работы сезон года. Особенно характерна зависимость от сезонных изменений состава биоценоза активного ила на малых очистных сооружениях, которые пропускают меньше, чем 10 тыс. м³ сточных вод в сутки. При тех же условиях эксплуатации очистных сооружений, а также при одинаковом составе сточных вод, биоценоз летом по показателю видового разнообразия будет богаче, чем зимой. Тем не менее, на крупных очистных сооружениях, использующих горячую воду круглогодично, сезонные изменения не влияют на состав биоценоза ила.

Активный ил содержит в себе много азота и фосфорного ангидрида. Благодаря высокому содержанию в активном иле питательных веществ, возможно его использование в качестве удобрения. Именно поэтому избыток активного ила и вопросы его утилизации часто связывают с его последующим применением в сельском хозяйстве.

Перед использованием в качестве удобрения, избыточный активный ил и осадки сточных вод подвергают обработке, которая гарантирует их

дальнейшую незагниваемость, а также уничтожает патогенные бактерии и яйца гельминтов.

Метод термической сушки применяется как наиболее эффективный способ обезвоживания отходов, образованных после очистки сточной воды. Также разрабатываются, внедряются и применяются новые методы обезвоживания осадков. Так, перспективными, технологическими методами являются барабанные вакуум-фильтры, центрифуги, применение последующей термической сушки с одновременной грануляцией, которая позволяет получить продукт в виде гранул. Эти гранулы незагнивающие, легко транспортируются, хранятся и упаковываются, содержат полезные микроэлементы, легко вносятся в почву в качестве удобрений.

Наряду с преимуществами использования осадка сточных вод и активного ила в качестве удобрения следует учесть возможность негативных последствий их применения. Так, в подобных отходах могут содержаться вредные для растений вещества, такие как яды, химикаты, соли тяжелых металлов. Для предотвращения негативных последствий необходимо соблюдение строго контроля за содержанием вредных веществ в готовых удобрениях и определением возможности их применения в качестве сельскохозяйственного удобрения.

При условии полного извлечения ионов тяжелых металлов и других вредных веществ из сточной воды возможно получить безвредную биомассу активного ила, использование которой в качестве удобрения гарантировано не будет иметь негативных последствий. На сегодняшний день существует целый ряд эффективных и технологически доступных методов экстракции вредных веществ из сточных вод. Широкое использование осадка сточных вод в качестве кормовых добавок и удобрения привело к интенсификации исследований о возможном влиянии различных токсических примесей в сточных водах на рост их концентрации в почве и в растениях.

Особый интерес в этой области представляет практическое использование осадка сточной воды в Германии. Санитарными нормами

здесь к использованию в качестве сельскохозяйственного удобрения разрешены только незагнивающие, стабилизированные осадки, высушенные термической сушкой, компостированные и пастеризованные. Для уничтожения опасных бактерий и яиц гельминтов применяется пастеризация. Она проводится в течение получаса при температуре от 65 до 70 ^оС. При высоком уроне загрязнения патогенными микроорганизмами применяется нагрев до 90 ^оС в течение 5 минут.

Если осадок содержит повышенную концентрацию солей тяжелых металлов, вопрос его применения в качестве удобрения не рассматривается. Такие осадки подлежат другому способу утилизацию, например, сжиганию.

Для получения заменителей нефти и газа в Германии также сжигают активный ил. Сжигание 350 тыс. т ила позволяет получить топливо, количество которого эквивалентно 700 тыс. баррелей нефти и 175 тыс. т угля.

Большое преимущество этого метода утилизации заключается в удобстве хранения. После сжигания, высвобождаемый пар незамедлительно используется. В случае переработки активного ила в метан придется воспользоваться дополнительными капитальными затратами, связанными с трудностями его хранения и транспортировки» .

Существуют и другие методы утилизации активного ила. Так, возможно применение отходов активного ила в качестве сгущающего суспензии флокулянта, а также при получении из активного угля адсорбента.

Токсикологическими исследованиями показан способ переработки сырых осадков и избыточного активного ила в цементном производстве.

Ежегодный прирост биомассы активного ила достигает миллионов тонн. В связи с этим возникает необходимость разработки таких методов утилизации, которые помогут расширить спектр применения активного ила.