Название: Теоретические основы технологических процессов охраны окружающей среды - Бочкарев В.В.

Жанр: Промышленность

Рейтинг:

Просмотров: 1641

Страница: | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | 16 | 17 | 18 | 19 | 20 | 21 | 22 | 23 | 24 | 25 | 26 | 27 | 28 | 29 | 30 | 31 | 32 | 33 | 34 | 35 | 36 | 37 | 38 | 39 | 40 | 41 | 42 | 43 | 44 | 45 | 46 | 47 | 48 | 49 | 50 | 51 | 52 |




7.4. Процессы биохимической очистки сточных вод

Биохимические методы применяют для очистки хозяйственно- бытовых и промышленных сточных вод от многих растворенных орга- нических и некоторых неорганических (сероводорода, сульфидов, ам- миака, нитритов) веществ. Процесс очистки основан на способности микроорганизмов использовать эти вещества для питания в процессе

250

жизнедеятельности, так как органические вещества для микроорганиз- мов являются источником углерода, азота.

7.4.1. Основные показатели биохимической очистки сточных вод

Контактируя с органическими веществами, микроорганизмы час- тично разрушают их, превращая в воду, диоксид углерода, нитрат- и сульфат-ионы и др. Другая часть вещества идет на образование биомас- сы. Разрушение органических веществ называют биохимическим окис- лением.

Биохимические показатели. Сточные воды, направляемые на био- химическую очистку, характеризующуюся величиной БПК и ХПК. БПК

- это биохимическая потребность в кислороде, т.е. количество кислоро- да, использованного при биохимических процессах окисления органи- ческих веществ (не включая процесса нитрификации) за определенный промежуток времени (2, 5, 8, 10, 20 суток), в мг О2  на 1 мг вещества. Например БПК5 – биохимическая потребность в кислороде за 5 сут, БПКполн – полная БПК до начала процесса нитрификации. ХПК – хими- ческая потребность в кислороде, т.е. количество кислорода, эквива- лентное количеству расходуемого окислителя, необходимого для окис- ления всех восстановителей, содержащихся в воде. ХПК также выра- жают в мг О2 на 1 мг вещества.

Биохимической  активностью  микроорганизмов называют  биохи-

мическую деятельность, связанную с разрушением органических за- грязнений сточных вод. Возможность биохимического окисления (био- разлагаемость сточных вод) характеризуется через биохимический пока- затель, т.е. отношением БПКполн/ХПК. Его значение колеблется в ши- роких пределах для различных групп сточных вод: промышленные сточные воды имеют низкий биохимический показатель (0,050,3), бы- товые сточные воды – свыше 0,5. При отношении (БПК/ХПК)100% =

50% вещества поддаются биохимическому окислению. При этом необ- ходимо, чтобы сточные воды не содержали ядовитых веществ и приме- сей солей тяжелых металлов. Биохимический показатель необходим для

расчета и эксплуатации промышленных сооружений для очистки сточ- ных вод.

Для возможности подачи сточных вод на биохимическую очистку устанавливают максимальные концентрации токсичных веществ, кото- рые не влияют на процессы биохимического окисления (МКб) и на ра- боту очистных сооружений (МКб.о.с.). Для неорганических веществ, ко- торые практически не поддаются биохимическому окислению, также устанавливают максимальные концентрации, при превышении которых воду нельзя подвергать биохимической очистке.

251

7.4.2. Аэробный метод биохимической очистки

Известны аэробные и анаэробные методы биохимической очистки сточных вод. Аэробный метод основан на использовании аэробных групп организмов, для жизнедеятельности которых необходим постоян- ный приток кислорода и температура 2040°С. При аэробной очистке микроорганизмы культивируются в активном иле или биопленке. Ана- эробные методы очистки протекают без доступа кислорода; их исполь- зуют в основном для обезвреживания осадков.

Активный ил состоит из живых организмов и твердого субстрата. Сообщество всех живых организмов (скопления бактерий, простейшие черви, плесневые грибы, дрожжи, актиномицеты, водоросли), населяю-

щих ил, называют биоценозом. Активный ил представляет собой амфо- терную коллоидную систему, имеющую при рН = 49 отрицательный заряд. Сухое вещество активного ила содержит 7090 % органических и 3010 % неорганических веществ. Субстрат представляет собой твердую отмершую часть остатков водорослей и различных твердых ос- татков; к нему прикрепляются организмы активного ила. Субстрат со- ставляет до 40 % в активном иле.

В активном иле находятся микроорганизмы различных групп. По экологическим группам микроорганизмы делятся на аэробов и анаэро- бов, термофилов и мезофилов, галофилов и галофобов.

Качество ила определяется скоростью его осаждения и степенью очистки жидкости. Состояние ила характеризует «иловый индекс», ко- торый представляет собой отношение объема осаждаемой части актив- ного ила к массе высушенного осадка (в граммах) после отстаивания в течение 30 мин. Чем хуже оседает ил, тем более высокий «иловый ин- декс» он имеет.

Биопленка растет на наполнителе биофильтра, она имеет вид сли-

зистых обрастаний толщиной 13 мм и более. Биопленка состоит из бактерий, грибов, дрожжей и других организмов. Число микроорганиз-

мов в биопленке меньше, чем в активном иле.

7.4.3. Механизм биохимического распада органических веществ

Прирост биомассы происходит в процессе очистки сточных вод. Он зависит от химической природы загрязнений, вида микроорганиз- мов, БПК и ХПК, от концентрации фосфора и азота в сточной воде, от ее температуры.

Для того, чтобы происходил процесс биохимического окисления органических веществ, находящихся в сточных водах, они должны по- пасть внутрь клеток микроорганизмов. К поверхности клеток вещества

252

поступают за счет конвективной и молекулярной диффузии, а во внутрь клеток – диффузией через полупроницаемые цитоплазматические мем- браны. Но большая часть вещества попадает внутрь клеток при помощи специфического белка-переносчика. Образующийся растворимый ком- плекс «вещество-переносчик» диффундирует через мембрану в клетку, где он распадается, и белок-переносчик включается в новый цикл пере- носа вещества.

Основную роль в процессе очистки сточных вод играют процессы превращения вещества, протекающие внутри клеток микроорганизмов.

Эти процессы заканчиваются окислением вещества с выделением энер- гии и синтезом новых веществ с затратой энергии.

7.4.4. Кинетика биохимического окисления

Скорость биохимических реакций определяется активностью фер- ментов, которая зависит от температуры, рН и присутствия в сточной воде различных веществ.

Ферменты, представляющие собой сложные белковые соединения,

выполняют роль ускоряющих катализаторов. С повышением температу- ры скорость ферментативных процессов повышается, но до определен- ного предела. Для каждого фермента имеется оптимальная температура, выше которой скорость реакции падает. К числу веществ-активаторов, повышающих активность ферментов, относятся многие витамины и ка- тионы Са2+, Mg2+, Mn2+. В то же время соли тяжелых металлов, синиль- ная кислота, антибиотики являются ингибиторами, т.е. снижают актив- ность ферментов.

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

Вещества, находящиеся в сточных водах в коллоидном или мелко- дисперсном состоянии, окисляются с меньшей скоростью, чем вещест- ва, растворенные в воде.

Уравнение кинетики ферментативных реакций предложено Миха- элисом и Ментеном. Оно определяет скорость протекания реакций внутри клеток микроорганизмов;

v = vmax S 

kM

 S  ,      (7.72)

где v = dP/d – скорость образования продукта Р из вещества S;

vmax   –

максимальное значение скорости; kM

моль/л.

– константа Михаэлиса-Ментена,

 

253

Константа  kM

характеризует зависимость скорости ферментатив-

ной реакции от концентрации субстрата в стационарном состоянии про- цесса.

Для окисления органических веществ микроорганизмами необхо-

дим кислород, но они могут его использовать только в растворенном в воде виде. Для насыщения сточной воды кислородом проводят процесс аэрации, разбивая воздушный поток на пузырьки, равномерно распре- деляя их в сточной воде. Из пузырьков воздуха кислород абсорбируется водой, а затем переносится к микроорганизмам.

Количество абсорбируемого кислорода может быть вычислено по уравнению массоотдачи:

M =VV(Ср – С),                                  (7.73) где М – количество абсорбированного кислорода, кг/с; V  – объемный коэффициент  массоотдачи,  с-1;  V  –  объем  сточной  воды  в сооружении, м3;  Ср,  С  –  равновесная  концентрация  и  концентрация кислорода в массе жидкости, кг/м3.

Количество абсорбируемого кислорода может быть увеличено за счет роста коэффициента массоотдачи или движущей силы.

На скорость биохимического окисления влияет турбулизация сточ- ных вод в очистных сооружениях, что способствует распаду хлопьев ак-

тивного ила на более мелкие и увеличивает скорость поступления пита- тельных веществ и кислорода к микроорганизмам. Турбулизация потока достигается интенсивным перемешиванием, при котором активный ил находится во взвешенном состоянии, что обеспечивает равномерное распределение его в сточной воде.

Доза активного ила зависит от  «илового индекса». Чем меньше

«иловый индекс», тем большую дозу активного ила необходимо пода- вать на очистные сооружения. Для очистки следует применять свежий активный ил, который хорошо оседает и более устойчив к колебаниям температуры и рН среды.

Наиболее оптимальная температура биохимической очистки сточ-

ных вод поддерживается в пределах 2030°С. Превышение температу- ры может привести к гибели микроорганизмов. При более низких тем-

пературах снижается скорость очистки, замедляется процесс адаптации

микробов к новым видам загрязнений, ухудшаются процессы флокуля- ции и осаждения активного ила.

7.4.5. Анаэробные методы биохимической очистки

Анаэробные методы обезвреживания используют для сбраживания осадков, образующихся при биохимической очистке производственных

254

сточных вод, а также как первую ступень очистки очень концентриро- ванных промышленных сточных вод (БПКполн  ~ 45 г/л), содержащих органические вещества, которые разрушаются анаэробными бактериями в процессах брожения. В зависимости от конечного вида продукта раз- личают виды брожения: спиртовое, пропионовокислое, молочнокислое, метановое и др. Конечными продуктами брожения являются: спирты, кислоты, ацетон, газы брожения (СО2, Н2, СН4).

Для очистки сточных вод используют метановое брожение, про-

цесс сложный и многостадийный. Процесс метанового брожения состо- ит из двух фаз: кислой и щелочной (или метановой). В кислой фазе из сложных органических веществ образуются низшие жирные кислоты, спирты, аминокислоты, аммиак, глицерин, ацетон, сероводород, диок- сид углерода и водород. Эти промежуточные продукты в щелочной фазе образуют метан и диоксид углерода.

Основная реакция метанообразования

СО2 + 4Н2А  СН4 + 4А + 2Н2О, где Н2А - органическое вещество, содержащее Н2.

Метан может образовываться в результате распада уксусной

кислоты

СН3СООН  СН4 + СО2,   СО2 + 4Н2  СН4 + 2Н2О. При денитрификации в анаэробных условиях:

6Н2А + 2NO3

 6A + 6H2O + N2.

При определенных условиях конечным продуктом может быть и

аммиак. Основными параметрами анаэробного сбраживания является температура, доза загрузки осадка и степень его перемешивания. Про- цессы сбраживания ведут в мезофильных (3035°С) и термофильных

(5055°С) условиях. Полного сбраживания органических веществ в метантенках достичь нельзя. В среднем степень распада органических веществ составляет около 40 %.

7.4.6. Обработка осадков сточных вод

В процессах биохимической очистки в первичных и вторичных от- стойниках образуются большие массы осадков, которые необходимо утилизировать или обрабатывать с целью уменьшения загрязнения био- сферы. Осадки, имеют разный состав и большую влажность. Их подраз- деляют на 3 группы:

1) осадки в основном минерального состава;

2) осадки в основном органического состава;

3) смешанные осадки, содержащие как минеральные, так и органи- ческие вещества.

255

Осадки характеризуются содержанием сухого вещества; содержа- нием беззольного вещества; элементным составом; кажущейся вязко- стью и текучестью; гранулометрическим составом.

Осадки сточных вод представляют собой труднофильтруемые сус- пензии. Во вторичных отстойниках в осадке находится в основном из-

быточный активный ил, объем которого в 1,52 раза больше, чем объ- ем осадка из первичного отстойника. Удельное сопротивление осадка

является одним из определяющих показателей для выбора метода обра-

ботки осадков. В осадках содержится свободная (6065 %) и связанная

(3035%) вода. Свободная вода сравнительно легко может быть удале- на из осадка, связанная вода (коллоидно-связанная и гигроскопическая)

гораздо труднее. Коллоидно-связанная влага обволакивает твердые час-

тицы гидратной оболочкой и препятствует их соединению в крупные агрегаты.

Коагулянты положительно заряженными ионами нейтрализуют от- рицательный заряд частиц осадка. После этого отдельные твердые час- тицы освобождаются от гидратной оболочки и соединяются вместе в хлопья. Освобожденная вода легче фильтруется. Разрушить гидратную оболочку можно также кратковременной термической обработкой. Об- работка осадка активного ила включает:

1) уплотнение  осадка  гравитационным,  флотационным,  центро- бежным и вибрационным методами;

2) стабилизацию осадков в аэробных и анаэробных условиях;

3) кондиционирование осадков реагентными и безреагентными способами;

4) тепловую обработку;

5) жидкофазное окисление органической части осадка кислородом воздуха;

6) обезвоживание осадков на иловых площадках и механическим способом;

7) сушку осадков;

8) сжигание осадков.




Страница: | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | 16 | 17 | 18 | 19 | 20 | 21 | 22 | 23 | 24 | 25 | 26 | 27 | 28 | 29 | 30 | 31 | 32 | 33 | 34 | 35 | 36 | 37 | 38 | 39 | 40 | 41 | 42 | 43 | 44 | 45 | 46 | 47 | 48 | 49 | 50 | 51 | 52 |

Оцените книгу: 1 2 3 4 5

Добавление комментария: