Реферат: Биологическая очистка сточных вод

5.3.Процесс полной трёхстадийной биологической очистки

Процесс полной биологической очистки протекает в три стадии. На первой стадии, сразу же после смешения сточных вод с активным илом, на его поверхности происходят адсорбция загрязняющих веществ и их коагуляция (укрупнение частиц несущих органические вещества), причём адсорбция обеспечивается как хемосорбцией, так и биосорбцией с помощью полисахаридного геля активного ила и благодаря огромной поверхности ила, один грамм которого занимает 100 м2. Таким образом, на первой стадии очистки загрязняющие вещества в сточных водах удаляются благодаря механическому изъятию их активным илом из воды и началу процесса биоокисления наиболее легкоразлагающейся органики. Высокое содержание поступающих загрязняющих веществ способствует на первой стадии высокой кислородопоглащаемости, что приводит к практически полному потребления кислорода в зонах поступления сточных вод в аэротенках. На первой стадии за 0.5-2.0 часа содержание органических загрязняющих веществ, характеризуемых показателем БПК5, снижается на 50-60%.

На второй стадии полной биологической очистки продолжается биосорбция загрязняющих веществ и идёт их активное окисление экзоферментами (ферментами, выделяемыми активным илом в окружающую среду). Благодаря снизившейся концентрации загрязняющих веществ, начинает восстанавливаться активность ила, которая была подавлена к концу первой стадии  очистки. Скорость потребления кислорода на этой стадии меньше, чем в начале процесса, и в воде накапливается растворённый кислород. В случае благополучия второй стадии экзоферментами окисляется до 75% органических загрязняющих веществ, характеризуемых показателем БПК5. Продолжительность этой стадии различна в зависимости от состава очищаемых сточных вод и составляет от 2.0 до 4.0 часов.

На третьей стадии очистки происходит окисление загрязняющих веществ эндоферментами (внутри клетки), доокисление сложноокисляемых соединений, превращение азота аммонийных солей в нитриты и нитраты, регенерация активного ила. Именно на этой стадии (стадии внутриклеточного питания активного ила) происходит образование полисахаридного геля, выделяемого бактериальными клетками. Скорость потребления кислорода вновь возрастает. Общая продолжительность процесса в аэротенках составляет 6-8 часов для бытовых   и может увеличиваться до 10-20 и более часов при совместной очистке бытовых и производственных сточных вод. Продолжительность третьей стадии, таким образом, составляет от 4-6 часов при очистке бытовых сточных вод и может удлиняться до 15 часов.

Благополучие фазы эндогенного питания определяется величиной нагрузки, возрастом активного ила и временем пребывания его в аэротенках. Увеличение возраста активного ила, времени его пребывания в системе очистки, падение удельной нагрузки на него продлевает фазу эндогенного питания и создаёт благоприятный режим для её протекания, что способствует активному гелеобразованию, укрупнению хлопьев активного ила, улучшению его флокулирующих свойств. Внезапное увеличение нагрузки, сокращение возраста, токсические вещества, присутствующие в поступающей на очистку воде, оказывают подавляющее воздействие на процесс ферментативного окисления в целом и на фазу эндогенного питания. Таким образом, флокуляция хлопьев, а, следовательно, эффективность очистки, зависит от характеристик поступающих сточных вод, условий введения технологического процесса очистки и от действия гидродинамических сил в аэротенке.

5.4.Видовое разнообразие организмов активного ила

Богатое видовое разнообразие (не менее 25 видов простейших) организмов активного ила свидетельствует о благополучии биологической системы аэротенка, Высокой эффективности очистки и устойчивости биоценоза к повреждающему воздействию токсичных сточных вод.

Как и других водных сообществах, характер реакции биоценоза активного ила на неблагоприятное воздействие, проявляется в снижении видового разнообразия. Чувствительные к неблагоприятному воздействию виды могут исчезнуть совсем или резко снизить численность, в то время как устойчивые становятся ещё обильнее. Если действие неблагоприятного фактора нарастает или долго сохраняется, затрагиваются все новые виды биоценоза и, в результате, при минимальном видовом разнообразии наблюдается максимальная численность наиболее устойчивых видов.

Усложнение биоценоза сопровождается последовательным включением  в  него  всё  более  совершенных  видов  вплоть до  хищников:

зооглеи ® нитчатые бактерии ® мелкие жгутиконосцы ® мелкие раковинные амёбы ® свободноплавающие ® брюхоресничные ®  прикреплённые и сосущие инфузории ® коловратки ® черви ® водные клещи ® представители третьего трофического уровня (Приложение 1). Своеобразие биоценоза активного ила в наибольшей степени определяется нагрузкой по органическим загрязняющим веществам и эффективностью их разложения.

5.5.Режим работы активного ила

       Суммарный эффект воздействия разнообразных факторов, основным из которых следует считать удельные нагрузки, формирует специфический для каждого очистного сооружения активный ил, который может быть подразделён на три основных типа:

А. Работающий на неполное окисление органических загрязнений.

Б. Полное окисление.

В. Полное окисление с последующей нитрификацией (применяется на Самарских очистных сооружениях).

Сооружения биологической очистки, работающие в режиме неполного окисления, как правило, имеют высокие удельные нагрузки (400-600 мг БПК на грамм активного ила). При этом формируется биоценоз с бедным видовым разнообразием (5-13 видов) простейших и численным преобладанием отдельных групп, таких как жгутиконосцы, раковинные амёбы, нитчатые бактерии, крупные свободноплавающие инфузории, "бентосные" раковинные амёбы, мелкие корненожки.

При сниженных нагрузках на ил до 250-300 мг/г, обеспечивается полное окисление растворённых органических веществ. Такие сооружения обычно очищают сточные воды смешанного состава (бытовые и производственные).  Неоднородное, многокомпонентное загрязнение среды обитания даёт возможность организмам ила приобрести и сохранять необходимый уровень приспособленности в широком спектре непрерывно меняющихся условий. Биоценозы на таких очистных сооружениях разнообразны по видам, динамичны, подвижны и чутко реагируют на внешнее воздействие. При нормально протекающем процессе очистки в них отсутствуют численно доминирующие виды или такое доминирование минимально.

При удельных нагрузках 80-150 мг/г обеспечивается полное окисление и нитрификация азотосодержащих загрязнений. При полном окислении поступающих на очистку растворённых органических веществ, ненарушенном балансе их сорбции и окислении, низких нагрузках на активный ил и развитом процессе нитрификации формируется наиболее экологически совершенный биоценоз - нитрифицирующий активный ил. Нитрифицирующие хлопья ила крупные, компактные, хорошо оседающие, наполненные пузырьками газа, наблюдается самопроизвольная флотация ила, вызванная процессами денитрификации. Процесс денитрификации, протекающий во вторичных отстойниках, может ухудшать качество очищенной воды за счёт избыточного выноса активного ила, особенно в тёплое время года.

Биоценоз нитрифицирующего активного ила характеризуется, в целом, наиболее сложной экологической структурой с высоким таксономическим разнообразием (до 45 видов простейших) без численного преобладания различных видов. Нитчатые бактерии, мелкие бесцветные жгутиконосцы, мелкие формы как голых, так и раковинных амёб практически полностью вытесняются из биоценоза или их численность минимальна. Из инфузорий преобладают брюхоресничные и прикреплённые формы, жизнедеятельность которых тесно связана с хорошо сформированными, флокулированными хлопьями активного ила. Присутствуют представители высшего звена - хищники, что положительно влияет на степень очищения воды от органических загрязняющих веществ за счёт повышения интенсивности обмена. В нитрифицирующем иле всегда присутствуют (не достигая массового развития) хищные коловратки,  сосущие инфузории, хищные грибы и черви рода Chaetogaster. Периодически встречаются тихоходки.

В целом, в низконагружаемых илах, за счёт богатого видообразия, расширяется возможность ила адекватно реагировать на неблагоприятные воздействия и увеличивается его способность поддерживать эффективное и устойчивое качество очистки. При воздействии концентрированных производственных сточных вод биоценоз устойчиво сохраняет свою структурную целостность и удовлетворительный уровень ферментативного окисления. Разрушение стабильности и способности к быстрому восстановлению у такого биоценоза возможно только при чрезвычайном воздействии: в результате резкого возрастания удельной нагрузки на активный ил, воздействия сильно токсичных (при аварийных сбросах) сточных вод, недостатке и дисбалансе питательных веществ.

В условиях устойчивых нагрузок на активный ил при отсутствии токсичных примесей в сточных водах, поступающих на очистку, значительная часть микробной популяции связана с хлопком активного ила. Хлопья ила крупные, компактные, хорошо флокулирующие. В биоценозе возрастает численность организмов, непосредственно связанных с хлопьями, - ползающих брюхоресничных инфузорий, прикреплённых инфузорий, нематод, коловраток и т.д.

Однако, в неблагоприятных условиях перегрузок, при поступлении на очистку токсичных сточных вод, различных нарушений технологического режима очистки, хлопья активного ила диспергируются, измельчаются, возрастает число бактерий, не связанных с хлопьями активного ила, и, следовательно, возрастает число их поедателей - свободноплавающих инфузорий, мелких раковинных амёб, жгутиконосцев и проч. При очистке сточных вод, содержащих специфические сложноокисляемые соединения (фенолсодержащие, сточные воды ЦБК и т.д.), хорошо флокулирующие хлопья ила, как правило, вообще не образуются, и очистка осуществляется диспергированной микрофлорой. При подаче избыточного активного ила в "голову" сооружений, питание активного ила в аэротенках дисбалансируется, что приводит к развитию нитчатого вспухания или нарушению флокуляции хлопьев, которые приобретают перистую, вытянутую форму (Приложение 2).

5.6.Формирование различных типов биоценоза

Описанные три основные типа биоценоза активного ила формируются в своеобразных экологических условиях, обеспечивающих определённое качество очистки, оговариваемое в проекте БОС. На фоне описанных общих закономерностей биоценоз активного ила на каждом очистном сооружении своеобразен по своей структуре и адаптационным свойствам и уникален, поскольку состав сточных вод и режим эксплуатации каждого конкретного сооружения специфичен, а их конструкция относится к одному из нескольких определённых типов. Таким образом, на формирование биоценоза, его структуру оказывают влияние проектные параметры, состав сточных вод и соблюдение технологического режима эксплуатации очистных сооружений, где решающее значение имеет поддержание необходимого качества и количества активного ила, которые определяются такими показателями как доза ила, иловой индекс, зольность, возраст, прирост ила.

Также при индикаторной оценке процесса биологической очистки следует учитывать и сезонные изменения биоценоза ила, что характерно для небольших сооружений, очищающих менее 10 тыс. м3 сточных вод в сутки. Летний биоценоз активного ила при прочих равных условиях (состав сточных вод, режим эксплуатации сооружений) по видовому составу несколько богаче зимнего. Смена биоценоза по сезонам года происходит по закону гетерогенной сукцессии, однако, на крупных очистных сооружениях, в условиях горячего водоснабжения, сезонные изменения менее значительны. 

6.ХАРАКТЕРИСТИКА ОЧИЩЕННОЙ ВОДЫ С САМАРСКИХ ОЧИСТНЫХ СООРУЖЕНИЙ ЗА 1998 ГОД

После сооружений биологической очистки сточная вода характеризуется следующими показателями:

рН                                     - 7.6

Взвешенные вещества     - 7.4 мг/л

БПКполн натур. пробы      - 8.8 мг/л

ХПК                                  -75 мг/л

Растворённый кислород  -5.9 мг/л

Азот аммонийный            -2.23 мг/л

Азот нитритов                  -0.14 мг/л

Азот нитратов                  -10.46 мг/л

В процессе биологической очистки прошло значительное снижение соотношения БПК и ХПК. Оно составило 12% (в поступающей воде - 41%).

Это говорит о том, что в воде остались лишь биохимически неокисляемые примеси. Вынос ила из вторичных отстойников составил 7.4 мг/л. Эта величина в течение года колебалась от 6.9 до 7.7 мг/л.

Наличие окисленных форм азота (нитриты и нитраты) является свидетельством глубоко прошедшего процесса, так как нитрификация аммонийного азота начинается после окисления углеродосодержащих соединений, т.е. после практически полного снижения БПК.

Очищенная вода имеет достаточный запас растворённого кислорода, что позволяет выполнить требования санитарных правил по спуску сточных вод в открытые водоёмы.

Эффективность всего комплекса сооружений в 1998 году составила 93%, по БПКполн 93%, по ХПК 75%.

Утилизация осадков сточных вод и избыточного активного ила часто связана с использованием их в сельском хозяйстве в качестве удобрения, что обусловлено достаточно большим содержанием в них биогенных элементов. Активный ил особенно богат азотом и фосфорным ангидридом.

В качестве удобрения можно использовать те осадки сточных вод и избыточный активный ил, которые предварительно были подвергнуты обработке, гарантирующей последующую их незагниваемость, а также гибель патогенных микроорганизмов и яиц гельминтов.

Наиболее эффективным способом обезвоживания отходов, образующихся при очистке сточных вод, является термическая сушка.  Перспективные технологические способы обезвоживания осадков и избыточного активного ила, включающие использование барабанных вакуум-фильтров, центрифуг, с последующей термической сушкой и одновременной грануляцией позволяют получать продукт в виде гранул, что обеспечивает получение незагнивающего и удобного для транспортировки, хранения и внесения в почву органоминерального удобрения, содержащего азот, фосфор, микроэлементы.

Наряду с достоинствами получаемого на основе осадков сточных вод и активного ила удобрения следует учитывать и возможные отрицательные последствия его применения, связанные с наличием в них вредных для растений веществ в частности ядов, химикатов, солей тяжелых металлов и т.п. В этих случаях необходимы строгий контроль содержания вредных  веществ в готовом продукте и определение годности использования его в качестве удобрения для сельскохозяйственных культур.

Извлечение ионов тяжелых металлов и других вредных примесей из сточных вод гарантирует, например, получение безвредной биомассы избыточного активного ила, которую можно использовать в качестве кормовой добавки или удобрения. В настоящее время известно достаточно много эффективных и достаточно простых в аппаратурном оформлении способов извлечения этих примесей из сточных вод. В связи с широким использованием осадка сточных вод и избыточного активного ила в качестве удобрения возникает необходимость в интенсивных исследованиях возможного влияния присутствующих в них токсичных веществ ( в частности тяжелых металлов) на рост и накопление их в растениях и почве.

Представляет интерес практика использования осадков сточных вод в ФРГ. По санитарным соображениям в ФРГ допускается использование в качестве удобрения только незагнивающих, стабилизированных осадков сточных вод, термически высушенных, компостированных и пастеризованных. Пастеризация осадков заключается в их нагревании до 65-70 оС в течение 20-30 мин, что приводит к уничтожению в яиц гильминтов и патогенных микроорганизмов. Более высокий эффект пастеризации достигается при нагревании осадка до 80-90 оС с последующим выдерживанием в течение 5 мин. В случае образования больших объемов осадков сточных вод, содержащих соли тяжелых металлов, из-за чего их нельзя использовать в качестве удобрения, по-видимому, целесообразно использовать другие пути утилизации, например, сжигание осадков.

В ФРГ также предложен способ сжигания активного ила с получением заменителей нефти и каменного угля. Подсчитано, что при сжигании 350 тыс. т активного  ила можно получить топливо, эквивалентное 700 тыс. баррелей нефти и 175 тыс. т угля [1 баррель - 159л.]

Одним из преимуществ этого метода является то, что полученное топливо удобно хранить. В случае сжигания активного ила выделяемая энергия расходуется на производство пара, который немедленно используется, а при переработке ила в метан требуются дополнительные капитальные затраты на его хранение.

Важное значение также имеют методы утилизации активного ила, связанные с использованием его в качестве  флокулянта для сгущения суспензий, получения из активного угля адсорбента в качестве сырья для получения строй материалов и т.д.

Проведенные токсикологические исследования  показали возможность переработки сырых осадков и избыточного активного ила в цементном производстве.

Ежегодный прирост биомассы активного ила составляет насколько миллионов тонн. В связи с этим возникает необходимость в разработке таких способов утилизации, которые позволяют расширить спектр применения активного ила.

 Защита водных ресурсов от истощения и  загрязнения и их рационального использования для нужд народного хозяйства - одна из наиболее важных проблем, требующих безотлагательного решения. В России широко осуществляются  мероприятия по охране окружающей Среды, в частности по очистке производственных сточных вод.

Одним из основных направлений работы по охране водных ресурсов является внедрение новых технологических процессов производства, переход на замкнутые (бессточные)  циклы водоснабжения, где очищенные сточные воды не сбрасываются, а многократно используются в технологических процессах. Замкнутые циклы промышленного водоснабжения дадут возможность полностью ликвидировать сбрасываение сточных вод в поверхностные водоемы, а свежую воду использовать для пополнения безвозвратных потерь.

В химической промышленности намечено более широкое внедрение малоотходных и безотходных технологических процессов, дающих наибольший экологический эффект. Большое внимание уделяется повышению эффективности очистки производственных сточных вод.

Значительно уменьшить загрязненность воды, сбрасываемой предприятием, можно путем выделения из сточных вод ценных примесей, сложность решения этих задач на предприятиях химической промышленности состоит в многообразии технологических процессов и получаемых продуктов. Следует отметить также, что основное количество воды в отрасли расходуется на охлаждение. Переход от водяного охлаждения к воздушному позволит сократить на 70-90 % расходы воды в разных отраслях промышленности. В этой связи крайне важными  являются разработка и внедрение новейшего оборудования, использующего минимальное количество воды для охлаждения.

Существенное влияние на повышение водооборота может оказать внедрение высокоэффективных методов очистки сточных вод, в частности физико-химических, из которых одним из наиболее эффективных является применение реагентов. Использование реагентного метода очистки производственных сточных вод не зависит от токсичности присутствующих примесей, что по сравнению со способом биохимической очистки имеет существенное значение. Более широкое внедрение этого метода как в сочетании с биохимической очисткой, так и отдельно, может в определенной степени решить ряд задач, связанных с очисткой производственных сточных вод.

В ближайшей перспективе намечается внедрение мембранных методов для очистки сточных вод.

На реализацию комплекса мер по охране водных ресурсов от загрязнения и истощения во всех развитых странах выделяются ассигнования, достигающие 2-4 % национального дохода ориентировочно, на примере США, относительные затраты составляют (в %): охрана атмосферы 35,2 % , охрана водоемов - 48,0, ликвидация твердых отходов - 15,0, снижение шума -0,7, прочие 1,1. Как видно из примера, большая часть затрат - затраты на охрану водоемов. Расходы, связанные с получением коагулянтов и флокулянтов, частично могут быть снижены за счет более широкого использования для этих целей отходов производства различных отраслей промышленности, а также осадков, образующихся при очистке сточных вод, в особенности избыточного активного ила, который можно использовать в качестве флокулянта, точнее биофлокулянта.

Таким образом, охрана и рациональное использование водных ресурсов - это одно из звеньев комплексной мировой проблемы охраны природы.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.   Евилович А.З. "Утилизация осадков сточных вод" М: Стройиздат, 1989г

2.   Карюхина Т.А., Чурбанова И.Н. "Контроль качества воды"

М: Стройиздат, 1986г

3.   Карюхина Т.А., Чурбанова И.Н. "Химия воды и микробиология"

     М: Стройиздат, 1983г

4.   Методика технологического контроля работы очистных сооружений    

городской канализации. М: Стройиздат, 1977г

5.   Методическое руководство по гидробиологическому и   

     бактериологическому контролю процесса биологической очистки на                   

     сооружениях с аэротенками. ПНД Ф СБ 14.1.77-96  Москва,1996г

6.   Отчёт о работе ГОКС г.Самара за 1998 год

7.   Охрана производственных сточных вод и утилизация осадков Под редакцией В.Н. Соколова М: Стройиздат, 1992г

8.   Туровский И.С. "Обработка осадков сточных вод" М: Стройиздат, 1984г

9.   Унифицированные методы исследования качества вод. Совещание руководителей водохозяйственных органов стран-членов СЭВ.

Ч. IV. Микробиологические методы. Москва, 1985г

Приложение

Приложение 1. Последовательная смена таксонов в формирующихся биоценозах (причисленном преобладании оценивается индикаторная роль)

Биоиндикаторы			Краткая характеристика условий развития
Направление развития биоценоза
При преобладании благоприятных факторов повышение видоразнообразия и стабильности ¯	При преобладании неблагоприятных факторов обратное развитие ­
Дисперсные бактерии			Сточные воды, нарушающие хлопьеобразование (фенолсодержащие, сточные воды ЦБК, большое содержание токсикантов
¯                          ­
Нитчатые водоросли			Устойчивы к токсикантам и недостатку кислорода
¯                          ­
Zoogloea			Устойчивы к высоким нагрузкам по БПК, недостатку кислорода, к сточным водам, дисбалансированным по элементам питания
¯                           ­
Нитчатые тионовые бактерии			Устойчивы к недостатку кислорода, продуктам гниения, к сточным водам, дисбалансированным по элементам питания, к воздействию токсикантов
¯                            ­
Продолжение.
Нитчатые бактерии			Устойчивы к высокому содержанию водорастворимой легкоокисляемой органики, к низкому содержанию кислорода
¯                        ­
Бактерии флокулированные в хлопьях ила			Обеспечивают высокое качество очистки, чувствительны к воздействию токсикантов, недостатку кислорода
¯                         ­
Сапрофитные грибы			Устойчивы к кислым сточным водам
¯                           ­
Бесцветные жгутиковые			Устойчивы к высоким нагрузкам по БПК, недостатку кислорода, токсикантам, процессам гниения
¯                            ­
Мелкие голые амёбы			Устойчивы к высоким нагрузкам по БПК, недостатку кислорода
¯                             ­
Мелкие раковинные амёбы			Устойчивы к высоким нагрузкам по БПК, недостатку кислорода, обильно развиваются при диспергировании хлопьев
¯                              ­
Крупные раковинные амёбы			Устойчивы к перегрузкам по легкоокисляемой органике
¯                               ­
Продолжение
Свободноплавающие инфузории (крупные формы)			Устойчивы к недостатку кислорода, к плохому перемешиванию ила, его залежам и гниению, перегрузкам по легкоокисляемой органике
¯                           ­
Брюхоресничные инфузории			Некоторые виды с высокой адаптационно-экологической пластичностью. Используют хлопья ила в качестве опоры передвижения
¯                            ­
Коловратки			Широкая экологическая пластичность, отдельные виды устойчивы к резким колебаниям рН, как правило, чувствительность к недостатку кислорода
¯                             ­
Нематоды			Высокая экологическая пластичность, некоторые виды (за искл. хищников) не чувствительны к недостатку кислорода в иловой смеси, показатели минерализации хлопьев ила при сгущении и переуплотнении которых, нематоды могут значительно увеличивать свою численность
¯                             ­
Прикреплённые инфузории			Чувствительность к недостатку кислорода, перегрузкам, плохому перемешиванию иловой смеси и воздействию токсикантов, как правило, показатели хорошего качества очистки
¯                             ­
Малощетинковые черви			Хищные виды - показатели глубокой очистки с нитрификацией.
¯                             ­
Окончание
Брюхоресничные черви			Показатели высокого качества очистки, нитрифицирующего ила
¯                         ­
Сосущие инфузории			Показатели глубокой очистки с нитрификацией (как и все хищники)
¯                          ­
Тихоходки			Сосущие хищники, чувствительны к недостатку кислорода. Показатели высокого качества очистки, нитрифицирующего, низконагружаемого ила
¯                          ­
Коловратки хищные			Характеризуют высокое качество очистки, развитый процесс нитрификации, хорошие аэрационные условия, удовлетворительную минерализацию ила
¯                          ­
Хищные грибы			Появляются в илах с высоким видоразнообразием и устойчивостью к неблагоприятным воздействиям. Характеризуют хорошую очистку с глубокой нитрификацией

Приложение 2. Индикаторная оценка процесса биологической       очистки и рекомендации по устранению выявленных нарушений.