Аэробная очистка сточных вод

Биологическая очистка сточных вод

Вода, кислород, микроорганизмы и время – вот секрет самоочищения планеты. В 70-х годах прошлого столетия, когда угроза экологической катастрофы приобрела вполне реальные очертания, ученые — биологи занялись исследованиями процессов, происходящих в обыкновенном торфовом болоте.

Смоделировав изученные реакции в лабораторном комплексе, они получили первую, пусть пока дорогую и неэффективную установку по биологической очистке сточных вод.

В данной статье мы поговорим об основных принципах биологической очистки, применяемых методах и конструкторских решениях.

Фото: станция биологической очистки сточных вод

Процесс питания любого живого организма сводится к расщеплению органики на элементарные «кирпичики», которые в последствии используются для «строительства» собственного тела. Мясо разлагается на простые белки и аминокислоты, идущие на постройку новых клеток, углеводы при расщеплении дают массу энергии.

Органика, входящая в состав сточных вод является прекрасной питательной средой для большого количества микроорганизмов. В процессе своей жизнедеятельности, колония микроскопических существ разлагает сложные органические соединения до уровня элементарных белков, обрывков цепочек ДНК и аминокислот.

Получившийся «строительный» материал стимулирует усиленное деление микроорганизмов, тем самым взрывообразно увеличивая численность колонии.

Отмершие части колонии и не переработанная органика выпадает на дно водоема безвредным илом. Одновременно, происходит очищение стоков от ядовитых для большинства живых существ, сложных органических соединений.

Существенным преимуществом данного метода очистки, является его полная саморегулируемость. При уменьшении процентного содержания органики в стоках, прекращается рост колонии, в некоторых случаях имеет место даже уменьшение количества микроорганизмов.

До конца 80-х годов прошлого столетия биологическое разложение органики являлось лишь одной из ступеней мощных очистных сооружений, обслуживавших крупные города и мощные предприятия пищевой промышленности.

На непригодных для сельскохозяйственного использования землях, вдали от населенных мест, выкапывались так называемые биопруды.

Прошедшие стадию механической очистки, избавленные от крупных включений и частично осветленные, сточные воды попадали в стоячий водоем, населенный определенными видами микроорганизмов.

Органические примеси разлагались на протяжении нескольких суток, безвредный ил и мелкая взвесь из песка и земли осаживалась на дно. Чистая вода медленно просачивалась в грунт, начиная новый этап круговорота.

Более простым, но менее эффективным, был метод использования инфильтрационных полей. Сброс предварительно очищенных стоков проводился на затопляемые луга, площадью до десяти гектаров.

Вода очищалась от примесей и органики, фильтруясь через слои грунта. Минусом такого метода было довольно короткое время использования полей. Грунт заиливался, фильтрационные свойства ухудшались, вода застаивалась, и местность превращалась в болото.

Современная станция биологической очистки выглядит совсем по-другому. Дефицит свободных площадей сильно сократил количество открытых инфильтрационных полей и биопрудов.

Ученные всего мира, беспокоясь о стабильности экологической ситуации, бросились на поиск альтернативных методов биологической очистки. Спустя несколько лет выход был найден.

Что делать, если течет бачок унитаза через перелив, смотрите здесь.

Для реализации данного метода используются микроорганизмы, нуждающиеся в кислороде для поддержания своей жизнедеятельности.

Аэробный биореактор или аэротенк, представляет собой металлическую или бетонную емкость большого объема.

На некотором расстоянии от дна располагаются сита или «елочки», выполненные из полимерного материала. Они служат основой для колоний аэробных микроорганизмов.

По дну аэротенка проложены трубы, снабженные мелкими отверстиями – аэраторы. Проходящий по ним воздух насыщает сточные воды кислородом, создавая благоприятные условия для роста колоний микроорганизмов.

Реакция разложения (окисления) органики сопровождается выделением большого количества энергии, которая может существенно повысить температуру внутри аэротенка.

Сложная электронная система следит за температурой, поддерживая оптимальные условия для жизнедеятельности микроорганизмов.

Миниатюрные версии «взрослых» аэротенков получили широкое распространение при конструировании септиков – локальных очистных сооружений, используемых в загородных домах и на дачных участках.

Фото: аэробный биореактор

Анаеробные биореакторы, или метантэнки, представляют собой герметичные конструкции из металла или бетона, в которых обитают микроорганизмы, для поддержания жизнедеятельности которых не требуется кислород.

Реакция разложения сложных органических соединений практически не сопровождается увеличением колонии, выброс энергии так же отсутствует.

Система контроля параметров среды обитания не нужна, что существенно удешевляет конструкцию.

Важно! Однако, во всей бочке меда должна быть ложка дегтя. Работа метантэнка сопровождается выбросом большого количества горючего газа метана.

Это свойство накладывает определенные ограничения на использование анаэробного метода биологической очистки.

Метантенки можно строить только на ровной хорошо продуваемой площади, по периметру которой устанавливаются газоанализаторы, подключенные к системе пожарной сигнализации.

Анаэробные реакторы, так же, как и аэробные, широко используются в систелах локальной очистки сточных вод.

Фото: анаэробные реакторы

Следует четко понимать, что биореактор, будь то аэротэнк или метантэнк – всего лишь одна из ступеней в сложной системе очистки сточных вод. Представим себе условную очистную станцию.

Сточные воды, сильно загрязненные как крупными органическими так и неорганическими включениями (камнями, песком, ветками, синтетическими материалами) поступают в первичную камеру-отстойник.

В ней происходит предварительная очистка гравитационным методом. Большинство включений, чей удельный вес больше веса воды оседают на дно.

О насосах дренажных фекальных можно узнать в этой статье.

Ориентировочные цены канализационных железобетонных колодцев, смотрите здесь.

Частично осветленные стоки попадают во вторую камеру, где проводится насыщение воды кислородом и дробление крупных органических включений. Некоторые станции оснащены металлическими «елочками» и решетками, задерживающими синтетические волокна, полиэтилен и прочие, трудно разлагаемые материалы.

Насыщенные кислородом стоки поступают в камеру биореактора, в которой проходит процесс разложения содержащейся в воде органики. Последняя камера служит для финальной гравитационной очистки.

На дне, как правило, имеется известковая засыпка, эффективно связывающая химически активные элементы. На выходе может стоять дополнительный биофильтр, увеличивающий степень очистки до 98-99%.

Фото: схема очистных сооружений сточных вод

На эту тему можно написать, как минимум, кандидатскую работу.

Поэтому, чтобы не утомлять читателя, тезисно опишу основные преимущества данного метода:

  • дешевизна. Расчетная стоимость очистки одного кубического метра стоков намного ниже, нежели у станций с химическим и механическим методом;
  • надежность. После запуска станция не требует регулярной закупки расходных материалов;

Колонии микроорганизмов, являясь живыми существами, самовоспроизводятся и, теоретически, не нуждаются в замене. Практически, замену надо проводить раз в 5-6 лет.

  • экологичность. В отличии от станций с химическим методом очистки. Не приходится думать об утилизации отработанных реагентов;
  • высокая степень очистки сточных вод. В процентном отношении это можно выразить числом 99%, в бытовом скажу так – воду на выходе из станции можно пить

Фото: вода на выходе из станции

А как же этот процесс происходит в природе? Загрязненные стоки, попав в рельеф местности, просачиваются в грунт, отфильтровывая при этом твердые и крупные органические включения.

Особенно эффективно в качестве фильтра работают песчаные грунты. Задержанные в процессе фильтрации сложные органические включения разлагаются присутствующими в почве бактериями, земля самоочищается.

Если вместо песка стоки попали на глинистый участок, образуется естественный биопруд. Воды осветляются методом гравитационного отстаивания, а выпавшая на дно органика со временем разлагается анаэробными микроорганизмами.

Конечно, процесс биологической очистки, протекающий естественным путем, может занять несколько лет, но протяжении которых земля будет отравлена и непригодна к использованию.

Строительство загородного дома сегодня немыслимо без устройства канализации, которая предусматривает отвод бытовых сточных вод через внутреннюю и наружную сеть […]

На сегодняшний день в монтаже трубопроводов водоснабжения и отопления часто применяются изделия, которые соединяются неразъемными фитингами. Однако нередко используются […]

Качественное проведение строительных работ в помещении требует использования только высокотехнологичных материалов на всех этапах. Использование новых технологий в производстве […]

Расскажите друзьям! Расскажите об этой статье своим друзьям в любимой социальной сети с помощью кнопок в панели слева. Спасибо!

Раздел Промышленная биотехнология

Реферат: Анаэробная биологическая очистка сточных вод:

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.

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 методоснован на использовании аэробных групп организмов для жизнедеятельности которых необходим постоянный приток О2и 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 называемыхаэротенками.

Анаэробныеметоды 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 родовMethanosarcina, Methanosaeta (Methanothrix), Мethanomicrobiumи 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, являетсяметаногенная 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 являютсяметантенки. 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.

Различаютмезофильное(при температуре 30—35 °C) итермофильное(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

5) Возная Н.Ф.Химия воды и микробиология. М.: Высшая школа, 1979.

Источники:
Биологическая очистка сточных вод
В данной статье мы поговорим об основных принципах биологической очистки, применяемых методах и конструкторских решениях.
http://septikland.ru/septiki/biologicheskaja-ochistka-stochnyh-vod.html
Реферат: Анаэробная биологическая очистка сточных вод
Реферат: Анаэробная биологическая очистка сточных вод. Доступно вам для легкого и полноценного списывания. От сайта Домашке.НЕТ
http://domashke.net/referati/referaty-po-ekologii/referat-anaerobnaya-biologicheskaya-ochistka-stochnyh-vod

COMMENTS