Анаэробная биологическая очистка сточных вод

В процессе работы многих предприятий образуются отходы, содержащие химические и органические соединения. Все они загрязняют окружающую среду. Правильная очистка поможет уменьшить негативное влияние на почву и водные ресурсы.

Один из вариантов – использовать биологические методы: аэробный и анаэробный.

Что это за методы биологического очищения?

Аэробные и анаэробные методы относятся к биологической очистке. Все они задействуют микроорганизмы, которые расщепляют органику на отдельные компоненты. В итоге бактерия получает строительный материал для роста и развития.

В сточных водах в большом количестве имеются органические соединения, которые и становятся питательной средой для микроорганизмов.

Сфера применения таких методов – это очистные конструкции для различных предприятий:

• по изготовлению соков, пива, алкогольной продукции и других напитков;
• по переработке сыворотки;
• сельского хозяйства;
• молокозаводы;
• фармацевтические компании;
• мясокомбинаты;
• производители косметики;
• предприятия химической промышленности.

Для аэробной очистки требуется непрерывное поступление кислорода. Это главный фактор, обеспечивающий деятельность микроорганизмов.

Анаэробный метод используется для ликвидации ила и других твердых осадков. При этом происходит отделение нерастворимых элементов, которые разлагаются с помощью бактерий.

При анализе загрязненности используется термин ХПК – химическое потребление кислорода. Этот показатель отражает концентрацию органики в воде.

Плюсы и минусы процесса

Аэробные и анаэробные методы имеют свои преимущества:

• эффективное удаление органики и других компонентов;
• простой принцип работы;
• малая сумма затрат на обслуживание и работу;
• надежность оборудования;
• экологичность очищенных вод;
• степень очистки до 99%;
• не выделяются вредные вещества.

Недостатки аэробных и анаэробных систем:

• большие вложения на строительные работы;
• необходимо четкое соблюдение технологического процесса;
• некоторые токсичные компоненты приводят к гибели бактерии;
• при работе с определенными продуктами нужен дополнительный этап очистки.

Аэробный способ

Аэробное очищение сточных вод происходит при участии бактерий и кислорода. В результате такой деятельности выделяется:

Это приводит к увеличению активного ила, который формируется из колоний микроорганизмов.

Аэробный процесс очищения включает несколько этапов:

1. Фильтрация воды от твердых частиц.
2. Окисление органики. В итоге образуется активный ил – осадок, состоящий из колоний бактерий. Он поступает в отдельный отсек.
3. Переработка и обеззараживание полученного осадка.

Процесс очищения происходит в биореакторе. Это емкость, изготовленная из пластика, бетона или металла. На дне биореактора располагаются сита, в которых находятся сами микроорганизмы.

Доступ к кислороду обеспечивают аэраторы – перфорированные трубы. Когда по ним проходит воздух, сточные воды насыщаются кислородом.

В процессе жизнедеятельности бактерий происходит выброс тепловой энергии. В итоге повышается температура всей системы. Это может привести к гибели микроорганизмов.

Для контроля над микроклиматом обязательно устанавливают датчики и систему управления. Существенные затраты электроэнергии идут на поддержание работы воздуходувок.

Особенности аэробных устройств:

• удаление свыше 99% ХПК;
• 1 кг загрязнений дает 0,4 кг активного ила;
• не образуется биогаз;
• для ликвидации 1 кг загрязнений потребление электричества составит 5 кВтч.

Эффективность аэробных методов снижается под воздействием ряда факторов:

• наличие токсичных веществ и солей тяжелых металлов;
• работа с загрязнениями, которые долго окисляются;
• большие габариты;
• высокая концентрация активных веществ, замедляющих деятельность микроорганизмов;
• температура, выходящая за пределы 20-30 градусов;
• нарушение кислотно-щелочного баланса, который установлен для каждого вида бактерий.

Указанные факторы угнетают деятельность микроорганизмов или приводят к их полной гибели. Поэтому при выборе аэробного метода обязательно учитывают, какие компоненты содержатся в сточных водах.

Аэробный метод обеспечивает повышенное качества обработки. После очищения разрешено сбрасывать водную массу в реки и водоемы.

Для строительства аэробных конструкций нужно больше свободного пространства и значительные вложения.

Анаэробный

Анаэробное разложение не требует поступления кислорода. В результате происходит процесс брожения и выделяет газ метан. В естественных условиях подобные процессы наблюдаются на болотистой местности. При разложении органики выходят так называемые болотные газы.

Анаэробная очистка включает 4 этапа:

1. Гидролиз. Сложные углеводороды разлагаются на воду и более простые составляющие.
2. Предварительное окисление. В результате выделяются спирты и кислоты.
3. Завершающее окисление продуктов.
4. Переработка веществ бактериями и выделение метана.

Все стадии анаэробного очищения тесно связаны между собой. При нарушении одного этапа очистка прекращается.

Анаэробные устройства имеют вид герметичных контейнеров. Обычно их располагают под землей.

На дне емкости образуется осадок. В верхней части резервуаров имеются колпаки, предназначенные для отвода газа.

Деятельность анаэробных бактерий не приводит к выделению энергии. Поэтому температура внутри контейнера не изменяется. Такое оборудование работает без системы управления, поэтому их стоимость достаточно низкая.

Основной минус анаэробного метода – выделение метана. Поэтому системы возводят на ровной местности, которая постоянного продувается ветрами. Обязательно устанавливаются датчики. При повышении концентрации метана срабатывает система сигнализации.

Особенности работы анаэробных устройств:

• удаляют более 90% загрязнений;
• ликвидация 1 кг ХПК позволяет получить 40 г ила;
• компактные размеры;
• образование биогаза;
• для ликвидации 1 кг загрязнений нужна энергия 0,5 кВтч.

Анаэробные сооружения строят для очистки воды с повышенной концентрацией ХПК. Для их возведения требуется меньше места, также сокращается объем работ и денежных затрат.

Значительно понижают эффективность следующие факторы:

• высокая кислотность сточных вод;
• снижение температуры ниже установленного уровня (20-30 градусов);
• пониженное содержание загрязнений.

Заключение

Биологические способы очистки имеют свои плюсы и минусы. При выборе подходящего метода учитывают состав вод и деятельность компании.

• Анаэробные системы более экономичны, однако действенны при серьезных загрязнениях.
• Аэробные конструкции отличаются высокой эффективностью.

Вода – ценнейший природный ресурс. Она играет исключительную роль в процессах обмена веществ, составляющих основу жизни. Огромное значение вода имеет в промышленном и сельскохозяйственном производстве. Общеизвестна необходимость ее для бытовых потребностей человека, всех растений и животных. Для многих живых существ она служит средой обитания.

Рост городов, бурное развитие промышленности, интенсификация сельского хозяйства, значительное расширение площадей орошаемых земель, улучшение культурно-бытовых условий и ряд других факторов все больше усложняет проблемы обеспечения водой.

Потребности в воде огромны и ежегодно возрастают. Ежегодный расход воды на земном шаре по всем видам водоснабжения составляет 3300-3500 км 3 . При этом 70% всего водопотребления используется в сельском хозяйстве.

Много воды потребляют химическая и целлюлозно-бумажная промышленность, черная и цветная металлургия. Развитие энергетики также приводит к резкому увеличению потребности в воде. Значительное кол-во воды расходуется для потребностей отрасли животноводства, а также на бытовые потребности населения. Большая часть воды после ее использования для хозяйственно-бытовых нужд возвращается в реки в виде сточных вод.

Дефицит пресной воды уже сейчас становится мировой проблемой. Все более возрастающие потребности промышленности и сельского хозяйства в воде заставляют все страны, ученых мира искать разнообразные средства для решения этой проблемы.

На современном этапе определяются такие направления рационального использования водных ресурсов: более полное использование и расширенное воспроизводство ресурсов пресных вод; разработка новых технологических процессов, позволяющих предотвратить загрязнение водоемов и свести к минимуму потребление свежей воды.

Еще в городах древнего Египта, Греции и Рима существовали канализационные системы, по которым отходы жизнедеятельности людей и животных транспортировались в водоемы – реки, озера и моря. В Древнем Риме перед сбросом в Тибр канализационные стоки накапливались и выдерживались в накопительном пруде-отстойнике – клоаке (cloaca maxima). В Средние века этот опыт был в значительной степени забыт, помои, экскременты людей и животных, выливались на городские улицы и удалялись эпизодически. Это являлось причиной загрязнения и заражения источников питьевой воды и приводило к возникновению эпидемий холеры, тифа, амебной дизентерии и др. В начале 19 века в Англии был изобретен туалет с водяным смывом. Возникла очевидная необходимость в обработке сточных вод и предотвращения их попадания в источники питьевой воды. Сточные воды собирали и выдерживали в больших емкостях, осадок использовали в качестве удобрений. В начале двадцатого века были разработаны интенсивные системы очистки бытовых сточных вод, включая поля орошения, где вода очищалась, фильтруясь через почву, струйные фильтры со щебневой и песчаной загрузкой, а также резервуары с принудительной аэрацией – аэротенки. Последние являются основным узлом современных станций аэробной очистки городских сточных вод. Первоначально основной целью очистки стоков являлось их обеззараживание. Понимание важности качественной очистки сточных вод для охраны природных водоемов пришло позже. Проблема чистой воды является одной из актуальнейших проблем наступившего века. Для сохранения мест забора питьевой воды чистыми необходима качественная очистка сточных вод, производство которых в России достигает 500 литров в сутки на душу городского населения. В настоящее время разработаны и развиваются современные технологии очистки сточных вод. Наибольший интерес и перспективу имеют естественные и самые дешевые биологические методы очистки, представляющие собой интенсификацию природных процессов разложения органических соединений микроорганизмами в аэробных или анаэробных условиях.

Биологические (биохимические) методы очистки сточных вод.

Биологические методы применяют для очистки хозяйственно-бытовых и промышленных сточных вод от многих растворенных органических и некоторых неорганических веществ. Процесс основан на способности микроорганизмов использовать эти вещества для питания в процессе жизнедеятельности, органические вещества для микроорганизмов являются источником углерода.

Известны аэробные и анаэробные методы.

Аэробный метод основан на использовании аэробных групп организмов для жизнедеятельности которых необходим постоянный приток О₂ и температура 20-40 0 С. Микроорганизмы культивируются в активном иле или биопленке.

Активный ил состоит из живых организмов и твердого субстрата. Живые организмы представлены скоплениями бактерий, простейшими червями, плесневыми грибами, дрожжами, редко – личинками насекомых, рачков, а также водорослями. Биопленка растет на наполнителях биофильтра, она имеет вид слизистых обрастаний толщиной 1-3 мм и более. Процессы аэробной переработки сточных вод идут в сооружениях называемых аэротенками.

Анаэробные методы очистки протекают без доступа О₂ (процесс брожения), их используют для обезвреживания осадков. Анаэробные процессы происходят в, так называемых, метантенках . Анаэробная и аэробная очистка идут в сопряжении.

Анаэробная биологическая очистка сточных вод.

Анаэробный метод очистки может рассматриваться в качестве одного из наиболее перспективных при наличии высокой концентрации в сточных водах органических веществ или для очистки бытовых стоков. Его преимущество перед аэробными методами заключается в резком снижении эксплуатационных расходов (для анаэробных микроорганизмов не требуется дополнительной аэрации воды) и отсутствии проблем, связанных с утилизацией избыточной биомассы.

Анаэробная деградация органических веществ, осуществляется как многоступенчатый процесс, в котором необходимо участие, по меньшей мере четырех групп микроорганизмов:

В анаэробном сообществе между микроорганизмами существуют тесные и сложные взаимосвязи, имеющие аналогии в многоклеточных организмах, поскольку ввиду субстратной специфичности метаногенов, их развитие невозможно без трофической связи с бактериями предыдущих стадий. В свою очередь метановые археи, используя вещества, продуцируемые первичными анаэробами, определяют скорость реакций, осуществляемых этими бактериями. Ключевую роль в анаэробной деградации органических веществ до метана играют метановые археи родов Methanosarcina, Methanosaeta (Methanothrix), Мethanomicrobium и другие. При их отсутствии или недостатке анаэробное разложение заканчивается на стадии кислотогенного и ацетогенного брожений, что приводит к накоплению летучих жирных кислот, в основном масляной, пропионовой и уксусной, снижению рН и остановке процесса.

Формирование агрегатов биомассы является результатом микробиологических, химических и физических процессов, про­исходящих на границе раздела жидкой и твердой фаз. Образование гранулированной биомассы в биореакторе является уникальным феноменом самоорганизации метаногенного микробного сообщества. И имен­но ацетатиспользующие метаногены обладают морфологичес­кими особенностями, позволяющие им образовывать оформлен­ные структуры с другими бактериями или смешанные колонии.

Точной морфологической классификации гранулирован­ной метаногенной биомассы пока не существует. С учетом наличия промежуточных форм выделяют три основных типа гранул:

компактные сферические или дисковидные плотные гранулы, состоящие в основном из нитей метаносает. Обычно образуются при наличии субстра­та с высоким содержанием ЛЖК, в том числе на преацидифицированных сточных водах при двухступенчатой анаэробной обработке.

крупные и менее плотные сферические гранулы, содержащие различные типы микроорганизмов, основу составляют нити метаносаета, часто прикрепленные к инертным частицам. Образуются при обработке сточных вод молочной промышлен­ности и сточных вод пивоваренного или безалко­гольного производства;

· тип С: мел­кие и рыхловатые округлые гранулы, основу которых состав­ляют метаносарцины. Образуются в высоконагружаемых сис­темах очистки сточных вод, в частности по ацетату, например навозные стоки или винные стоки при низких темпера­турах.

На поверхности всех типов гранул наблюдаются поры раз­личной величины, служащие для транспорта субстрата и выхода биогаза.

Одной из наиболее важных характеристик анаэробного ила, как было указанно выше, является метаногенная активность . Метаногенная актив­ность зависит от состава сточных вод.

Стабильность работы анаэробных реакторов сильно зависит от значения рНсточных вод и его постоянства, оптимальными явля­ются рН 7.0-8.0. Для формирования гранул и развития гранулированно­го ила имеет значение гидродинамический режим в реакторе, который определяется скоростью протока очищаемых сточных вод.

Обработка избыточного анаэробного ила не представляет ни­каких проблем. Высокое исходное содержание сухого вещества (до 100 г/дм 3 ), высокая зольность и стабильность, хорошие водоотдающие свойства и, как правило, его малые количества позволяют обезвоживать ил без применения реагентов с помо­щью центрифуг, ленточных фильтр-прессов и других стандартных устройств обработки сточных вод, либо на иловых площадках (при высоких нагрузках). Анаэроб­ный ил, образующийся при очистке сточных вод пищевых про­изводств, представляет собой высококачественное органоминеральное удобрение, которое можно использовать без особых ограничений. Сам по себе анаэробный ил не содержит патоген­ных микроорганизмов, а термофильный ил богат витамином В₁₂ , поэтому его можно также использовать как пищевую добавку в корм крупного рогатого скота.

До недавнего времени целесообразным являлось использование метанового брожения только для обработкиосад­ков сточных вод, так как длительность процесса (несколько суток) предполагала наличие значительных объемов реакто­ров. В 80-х годах 20 в. были проведены многочисленные иссле­дования и показано, что при определенных условиях в биореак­торах возможно формирование гранулированного ила, и про­цесс биодеструкции загрязнений сточных вод таким илом обеспечивается в течение не­скольких часов (6-14), что позволяет использовать этот метод для очистки сточных вод. Тем не менее, вряд ли этот метод можно счи­тать альтернативным аэробному процессу биодеградации орга­нических веществ сточных вод, так как его целесообразно применять при исходной концентрации загрязняющих веществ свыше 2000 мгО₂ /дм 3 (по БПКп).

При анаэробном преобразовании органических субстратов в метан под воздействием микроорганизмов должны быть последовательно реализованы 4 стадии разложения. Отдельные группы органических загрязнений (углеводы, протеины, липиды/ жиры) в процессе гидролиза преобразуются сначала в соответствующие мономеры (сахара, аминокислоты, жирные кислоты). Далее эти мономеры в ходе ферментативного разложения (ацитогенеза) преобразуются в короткоцепочечные органические кислоты, спирты и альдегиды, которые затем окисляются дальше в уксусную кислоту, что связано с получением водорода. Только после этого доходит очередь до образования метана на этапе метаногенеза. В качестве побочного продукта наряду с метаном образуется также и углекислый газ.

Все процессы преобразования тесно взаимосвязаны друг с другом и должны протекать в емкости анаэробного реактора в строго установленном порядке, т.к. любое нарушение одного из промежуточных этапов приводит к нарушению всего процесса. Поэтому требуется точное проектирование очистных сооружений и их настройка на соответствующую сточную воду.

Рисунок 1: Этапы разложения анаэробного преобразования

В зависимости от того, какой класс органических веществ преобладает в сточной воде, меняется состав биогаза и доля метана в нем. Углеводы в большинстве случаев разлагаются легко, однако они дают сравнительно меньшую долю метана. При разложении жиров и масел образуется большее количество биогаза с высоким содержанием в нем метана, однако, разлагаются они очень медленно. Кроме того, жирные кислоты, образующиеся как побочные продукты при разложении жиров и масел, могут препятствовать всему процессу разложения.

Описание конструкции метантенка.

Более совершенными сооружениями для сбраживания осадков являются метантенки . Сокращение сроков сбраживания в них за счет искусственного подогрева приводит к значительному уменьшению объема сооружений. В настоящее время метантенки широко применяются в отечественной и зарубежной практике. Метантенк представляет собой цилиндрический железобетонный резервуар с коническим днищем и герметическим перекрытием, в верхней части которого имеется колпак для сбора газа, откуда газ отводится для дальнейшего использования.

Метантенк представляет собой вертикальный сварной аппарат с цилиндрической обечайкой, с коническим днищем. В верхней части аппарат имеет горловину , имеющую диметр меньше диаметра основного аппарата.
Метантенк оборудован пропеллерной мешалкой, установленной в цилиндрической трубе, и приводимой в действие электродвигателем; теплообменником в виде труб, соединенных коллекторами трубы для загрузки исходного навоза; патрубка для отвода биогаза; патрубка для слива и устройствами и для выгрузки отферментированной массы.
Устройство для выгрузки отферментированной массы представляет собой вертикальную трубу, проходящую внутри аппарата, снабженную сливным патрубком с запорным устройством.

В метантенк подаётся обычно смесь сырого (свежего) осадка из первичных отстойников и избыточный активный ил из вторичных отстойников после аэротенков. В метантенках производят подогрев сбраживаемой массы (чаще всего «острым» паром) и её перемешивание.

Различают мезофильное (при температуре 30—35 °C) и термофильное (при температуре 50—55 °C) сбраживание. При термофильном сбраживании процесс распада проходит быстрее, но сброженный осадок хуже отдаёт воду. Смесь газов, выделяющихся при сбраживании, состоит преимущественно из метана (до 70 %) и углекислого газа (до 30 %). Метан (сжигаемый в котельной) используется для получения пара, которым подогревают осадок

Анаэробная очистка сточных вод имеет определенные преимущества и недостатки:

· в процессе не образуется много избыточного активного ила, следовательно, нет проблем с его утилизацией;

· 89% энергии процесса идет на выработку метана;

· такой способ очистки возможен только при небольших концентрациях субстрата;

· достаточно небольшая скорость прироста биомассы;

· более простое устройство оборудование по сравнению с аэробной очисткой.

Вышеуказанный метод применим, когда концентрацияопределенных загрязняющих веществ не превышает допустимый уровень. В большинстве случаев необходимо проводить три-четыре ступени предочистки сточных вод, чтобы добиться необходимого содержания определенных веществ. Кроме того, чтобы сбросить уже очищенные сточные воды в водоем после сооружений биологической очистки, часто необходима их доочистка (например, озонированием или УФ-облучением).

Список используемой литературы.

1) Карпинский А. А., Новые достижения в технологии сбраживания осадков сточных вод, М., 1959; Канализация, 4 изд., М., 1969.

2) Дж. Бейлли, Д. Оллис. Основы биохимической инженерии. М. Мир, 1989, 2 Т.

3) Добровольский, Основы биогеохимии. Учеб. пособие для геогр., биол., геол., с.-х. спец. вузов. , Высш. шк., 1998

4) Роев Г.А. Очистные сооружения. Охрана окружающей среды, М., Недра, 1999

Распад органических загрязнений в этом случае проходит в несколько стадий, при участии микроорганизмов с разным механизмом воздействия. Условно они группируются в четыре основных фазовых процесса, по веществам, выделяющимся на каждой из стадий разложения и видам бактерий, участвующих на каждом этапе анаэробного брожения.

Первая, гидролизная фаза, заключается в разложении сложных углеводородов на более простые их составляющие и воду. В результате «работы» соответствующих бактерий белки распадаются на аминокислоты, из углеводов образуется сахар, жиры преобразуются в жирные кислоты. Фаза промежуточного окисления, вторая по очереди, ведет к следующему в этой цепочке преобразованию сложных органических соединений на более простые, к которым относятся спирты, альдегиды и органические кислоты.

Окончательное окисление всех продуктов до уксусной кислоты и выделением водорода протекает в течение третьей фазы анаэробного процесса. Участие метанобразующих бактерий определяет четвертую фазу и заключается в питании продуктами предыдущих стадий распада, с образованием метана и углекислого газа. При этом основная часть выделяющейся энергии идет на образование метана, поэтому и наблюдается лишь незначительный прирост илистой массы.

Особенность анаэробной биологической очистки

Особенность анаэробной биологической очистки заключается в тесной взаимосвязи между всеми четырьмя фазами разложения и последовательностью их протекания. Нарушение течения одной из них может привести к дестабилизации всего процесса анаэробного разложения загрязненных стоков. Причиной этого является специфика развития микроорганизмов, благодаря которым происходит окончательное разложение до метана, поскольку их питательной средой являются вещества, произведенные бактериями на предыдущих стадиях распада загрязняющих органических веществ. Поэтому особое внимание следует уделять определению качественного состава органики, входящей в состав очищаемых стоков. Это связано с разной скоростью протекания процессов разложения белков, жиров и углеводов, и выделением отличающихся объемов метана. Для повышения эффективности анаэробной очистки следует обеспечивать одновременное протекание разложения веществ, содержащихся в стоках, проходящее в первой фазе, на стадии гидролиза, что достигается их разделением. Если обработке подвергаются сточные воды однородного состава, то определение пути, по которому пойдет разложение исходного загрязняющего материала, проходит на этапе приспособления биомассы к этому источнику питания.

Факторы, влияющие на эффективность анаэробной биологической очистки

К негативному влиянию, которое существенно снижает скорость протекания двух последних стадий, относится повышенное содержание органических кислот, что увеличивает кислотность водной среды, ведущую к подавлению деятельности семейств анаэробных бактерий. А это может привести к тому, что процесс разложения органики остановится на второй стадии окисления, идущей до карбоновых кислот, альдегидов и спиртов, являющихся еще достаточно токсичными веществами.

В отличие от аэробного процесса, анаэробная биологическая очистка эффективна при больших концентрациях загрязняющих веществ. Это связано с тем, что процессы биологической очистки, проходящие при участии анаэробных бактерий, не нуждаются в присутствии растворенного в воде кислорода. Поэтому с их участием проводится эффективная очистка стоков с высокими значениями ХПК (химической потребности в кислороде) и БПК (химической потребности в кислороде), невозможная для аэробных микроорганизмов. Кроме того, анаэробные бактерии, в отличие от аэробных собратьев, не чувствительны к действию поверхностно-активных веществ и прекрасно очищают содержащие их стоки. Помимо этого при их действии наблюдается высокая скорость снижения концентрации загрязняющих веществ, что связано с действием активного анаэробного ила, как биофлокулянта. Но при снижении концентрации загрязнений эффективность такой очистки, идущей с помощью анаэробной биомассы, заметно падает. Поэтому очень часто всего анаэробное и аэробное разложение органических загрязнений сточных вод используются в комплексе, позволяя достичь высоких степеней очистки.