Известно, что в естественных условиях в водоемах и в почве происходит биологическое самоочищение. Но как только концентрация вредных веществ превышает критическую, развитие живых организмов, а также процесс биологического самоочищения нарушается. Под влиянием чужеродных вредных веществ нарушается установившееся равновесие, возникают нежелательные изменения, отрицательно воздействующие на здоровье человека и его хозяйственную деятельность.
К веществам, загрязняющим водоемы и почву относят:
Различные яды и вредные вещества — соли тяжелых ме таллов, мышьяк, цианиды, фенолы, анилин, пестициды и др., ин гибирующие активность ферментных систем, связывающие кислород или нарушающие жизненные процессы;
2) кислоты и щелочи, изменяющие реакцию среды в природ ных водоемах и приводящие к нарушению равновесия в живых
системах;
3) поверхностно-активные вещества, которые в последнее время с развитием химической промышленности все чаще попадают в природные водоемы, образуя слой пены на поверхности.
Эти вещества очень опасны, так как часто недоступны воздействию микроорганизмов и не разрушаются;
4) растворимые органические вещества, содержащие углерод
и азот, нефтепродукты, углеводы и т. д.
Данная группа веществ используется микроорганизмами в качестве субстрата и способствует их чрезмерному размножению в водоемах. В свою очередь, это приводит к увеличению расхода растворенного в воде кислорода и развитию анаэробной, гнилостной микрофлоры, что вызывает вымирание других форм жизни. В таких условиях могут развиваться микроорганизмы, опасные для здоровья человека, например сульфатредуцирующие бактерии, в результате действия которых появляется неприятный запах сероводорода и т.д.;
5) нерастворимые органические соединения — крахмал, целлюлоза, лигнин, другие высокомолекулярные вещества, которые в виде плавающих частиц поступают в водоемы и вызывают последствия, схожие с действием веществ предыдущей группы;
6) радиоактивные и другие вредные загрязнители.
Водоемы и почва представляют собой биологические системы,
способные утилизировать отходы. В почву помимо отходов сельского хозяйства (навоз, солома и др.) попадают коммунальные и промышленные отходы. Как известно, навоз, компосты и солома являются удобрениями для полей. Однако необходимо знать предельные количества внесения удобрений. Вокруг крупных животноводческих комплексов требуются большие земельные площади, чтобы без ущерба для почвы утилизировать образующийся навоз. Жидкий свиной навоз перед вывозом на поле необходимо выдержать 6—8 мес., чтобы инактивировать патогенную микрофлору. При использовании отходов животноводческих ферм для удобрения полей, один из критериев — содержание азота, максимально допустимая доза которого составляет 300 кг/га. Практика показывает, что количество жидких отходов свиноферм, вносимых методом орошения за 1 год на площадь 1 га, не должен превышать 250 м3. Но на больших животноводческих комплексах ежесуточно образуются сотни тонн жидких отходов, следовательно, под них требуется сотни гектаров земель. На полях можно утилизировать также отходы пищевой промышленности, ил очистных сооружений. Допустимое количество отходов зависит от свойств почвы, химического и биологического состава отходов.
В большинстве случаев отходы перед внесением в почву предварительно обрабатывают аэробной или анаэробной ферментации, выдержки, обезвоживания и др. При выборе способа утилизации отходов на полях или при внесении прежде всего требуется учитывать опасность заражения растительной массы, животных и человека вредными химическими веществами или болезнетворными микроорганизмами. В почве происходят физические, химические и биологические изменения отходов, некоторые компоненты трансформируются, другие иммобилизуются. Важно отметить, что почва хорошо задерживает фосфорные соединения, которые могут использовать растения. В среднем на 1 га земли за год можно вернуть в виде растительной массы 20—60 кг фосфора. Способность сорбировать фосфор зависит от содержания в почве гумуса, алюминия, железа, кальция и от рН. Утилизация азота зависит от потребления его растениями, интенсивности денитрификации и степени перехода азота в аммиак, а также от количества отходов на единицу площади земли.
Скорость разрушения органических компонентов в почве различная, поэтому у некоторых веществ период полураспада длится месяцами, а у некоторых продолжительность полураспада измеряется часами и минутами. Скорость разрушения зависит от свойств почвы, температуры, влажности, рН и других факторов. Так, органические вещества в почве трансформируются микроорганизмами и другими биологическими объектам, а неорганические обычно абсорбируются частицами почвы или осаждаются, но не разрушаются. Особую опасность представляют тяжелые металлы, поэтому их количество в почве строго лимитируется. По данным Р. Ц. Лоера (R. C.Loehr, 1984) в почву можно внести (в кг/га): цинк не более 1000, медь и никель не более 500, а кадмий не более 20. Вносить металлы можно в почвы с высокой катионообменной способностью; в почвы с низкой катионообменной способностью допустимые количества цинка, меди, никеля и кадмия соответственно 250, 125, 125 и 5 кг/га.
В заключение можно сказать, что использовать почву для утилизации отходов можно и необходимо, но это надо делать при постоянном строгом контроле за процессами усвоения всех компонентов.
Выбор оборудования и метода очистки сточных вод зависит от характера самого загрязнения. Твердые плавающие предметы отделяют на ситах, жиры и масла — фильтрацией через специальные фильтры. Осаждение можно осуществлять в ямах с досками, расположенными в верхнем слое воды, перпендикулярно направлению потока воды. Доски должны находиться над уровнем воды. В таких ямах на дно оседают тяжелые твердые предметы. Чтобы их оседание было полным, размеры ямы должны быть подобраны в соответствии с размерами осаждаемых частиц и скоростью потока воды. Для обеспечения периодического удаления осадка необходимо устраивать резервные ямы.
При рециркуляции воды или для временного замедления биологических процессов сточные воды иногда обрабатывают хлором или хлорной известью. Химическая очистка сточных вод осуществляется путем регуляции рН и осаждения коллоидных веществ электролитами {чаще всего солями железа или алюминия), поликатионитами, флокулянтами. Эти методы обычно комбинируют с биологическими методами очистки: обработкой воды в аэробных условиях активным илом или анаэробной ферментацией.
Аэробные системы очистки стоков
В стоках, загрязненных органическими веществами, в присутствии кислорода интенсивно развивается аэробная микрофлора. Возникают очень сложные ассоциации, образующие так называемый активный ил, куда входят различные бактерии и простейшие, находящиеся в сложных трофических взаимоотношениях. При интенсивной аэрации среды и сбалансированных соотношениях биогенных элементов основную массу ила образуют бактерии. При этом очень важно обеспечить седиментационные свойства ила, т. е. образование флокул, которые задерживались бы в аэротенке и оседали при выходе из него. Это технологически облегчает возвращение флокул в аэротенк, а также осаждение в отстойниках. Флокулы ила имеют размеры до 150 мкм и различную форму.
На практике можно считать, что из общей массы утилизированных органических веществ образуется 50 % микробной биомассы, т. е. половина органических веществ перегазируется в СО2. Чтобы превратить в газообразные соединения активный ил, образовавшийся при аэробной очистке стоков, обычно в систему очистных сооружений включают стадию анаэробного метанового сбраживания. При этом 95 % СВ ила превращается в биогаз.
Чтобы обеспечить в аэротенках интенсивное образование ила и утилизацию органических веществ стоков, важно правильно определить скорость потребления кислорода, что прямо связано со скоростью утилизации органических веществ (u,s) и скоростью накопления активного ила (цт) согласно уравнениям:
DS/dt = mX = m/Ys
где ms — удельная скорость роста; Ys — выход биомассы из субстрата (экономический коэффициент), г/л.
Скорость массопередачи кислорода, как известно, характеризуется уравнением:
M = K (C* - Cl)
где К — объемный коэффициент массопередачи кислорода, С*, Сl — равновесная и рабочая концентрации растворенного кислорода, г/л.
На практике для очистки стоков используют различные технические системы. Если сточные воды не сильно загрязнены, для очистки можно использовать окисление на капельных или биологических фильтрах. При этом предварительно очищенную от механических примесей и жиров жидкость пропускают через плотный слой каменной щебенки, кокса или крупнозернистого (0,5—5 см) полимерного материала (полистирола или полипропилена) толщиной 0,9 — 3 м. Через несколько недель поверхность слоя покрывается слизистой пленкой, состоящей из микробной массы. В контакте с воздухом (в случае необходимости используют принудительную циркуляцию воздуха) микроорганизмы начинают эффективно окислять органические вещества сточных вод. БПКз их равен 500 мг/л. Пропуская через биологические фильтры промышленные сточные воды со скоростью 1000— 1200 л/м3 в сутки, добиваются снижения БПКб до 10 мг/л. Воздух можно пропускать снизу вверх и наоборот. Подача воздуха должна быть около 0,6 м3/мин на 1 м2 поверхности фильтра.
При работе с биологическим фильтром надо следить за составом сточных вод, не допускать перегрузку фильтра и предотвращать уничтожение микрофлоры токсичными соединениями и нерастворимым остатком. В холодное время года такие системы очистки снижают или совсем теряют свою эффективность, так как невозможно регулировать температуру воды.
На сезонных предприятиях, например на сахарных заводах, для аэробной очистки вод используют биологические пруды — систему прудов глубиной 0,6—1,2 м. Одновременно они служат водохранилищами. В прудах нельзя допускать протекания анаэробных процессов гниения. В теплое солнечное время в прудах могут развиваться одноклеточные фотосинтезирующие водоросли, весьма благоприятно влияющие на очистку воды. По окончании сезона работ воду спускают, а ил используют в качестве удобрения.
Способы очистки сточных вод базируются на микрофлоре, способной активно перерабатывать загрязнения. Для деятельности микроорганизмов кроме органических питательных веществ необходим кислород и в небольшом количестве биогенные вещества в виде азот- и фосфорсодержащих веществ.
|
|
Рис. 2. Схема системы аэробной очистки промышленных стоков: / — усреднитель, 2 — отстойник, 3 — аэротенк, 4 — регенератор ила, 5 — отстойник
ила, 6 — уплотнитель ила
Таблица 6. Системы аэробной очистки сточных вод
| Аэротенк | Характеристика и принцип работы | Схема |
Коридорный
Работает по принципу вытеснения. Малоинтенсивные; открытые
| Стоки | -=j^ -------------------------------------- 1 | |
| Ил ,-Воздух [ |
| |
| ., ,^ | ||
| ГС | ||
| [4+4444444+]) | ||
| Выход •*• |
Системы Кессенера
Поверхностный аэратор с Стоки ограниченной глубиной; открытый. Массообмен до 1,8 кг
О2г на 1 кВт-ч израсходованной электроэнергии
Системы «Симплекс» Турбинный аэратор; открытый. Массообмен до 2,3 кг O2 на 1 кВт-ч
Ч
U/4J»
|
|
Пневматический с ке- Интенсивная аэрация
рамическими воздухе- (требуется компрессор);
распределителями открытый
Продолжение
| Аэротенк | Характеристика и принцип работы | Схема |
|
|
Колонный, башенный Низкая турбидизация сре-
или эрлифтный ды (требуется компрес-
сор); закрытый; высота 30—60 м. Малые энергозатраты (около 0,5 кВт-ч на 1 кг СМ
Инжекционный с ре- Интенсивная аэрация циркуляцией ила и (требуется компрессор); сжиганием органических веществ
Воздух
Воздух
В биологических фильтрах бактерии находятся в неподвижном состоянии в слизистой пленке, покрывающей крупнозернистую поверхность наполнителя. Очищаемая вода медленно капает сверху, а в щели между гранулами поступает воздух естественным путем или принудительно (аэрация). Мощность биологических фильтров зависит от площади поверхности наполнителя.
В биологических прудах колонии микроорганизмов свободно перемещаются в воде. Кислород поступает через водную поверхность или от фотосинтезирующих водорослей и естественным образом медленно растворяется в воде. Микроорганизмы свободно перемещаются в воде. Кислород поступает через водную поверхность или от фотосинтезирующих водорослей и естественным образом медленно растворяется в воде. Концентрация микроорганизмов и одноклеточных растений должна быть не слишком высока, иначе на дне прудов появится дополнительный слой осадка, анаэробные процессы гниения начнут преобладать над аэробными, и произойдет вторичное загрязнение воды.
Сейчас у нас и за рубежом широко распространены интенсивные методы очистки сточных вод, когда в водный бассейн вводят большие количества воздуха и непрерывно перемешивают воду вместе с бактериальным илом.
Примеры интенсивной очистки — система аэрируемых прудов, в которые воздух подают при помощи специальных механических аэраторов, и аэротенки. Последние представляют собой железобетонный или металлический резервуар, в котором непрерывно происходит перемешивание сточных вод, микробного ила и воздуха. Аэротенки работают в комплекте с отстойниками, где осаждается ил, который накапливается в больших количествах.
На промышленных предприятиях, в том числе относящихся к микробиологической промышленности, в состав очистных сооружений обычно входят следующие узлы (рис. 2): усреднитель стоков для выравнивания концентраций загрязнений и стабилизации потока сточных вод; отстойник для осаждения взвешенных веществ; аэротенк или биофильтр, в котором осуществляется собственно биодеградация органических соединений; регенератор, в котором осуществляется восстановление активности ила; отстойник активного ила.
Наиболее крупномасштабной отраслью российской биотехнологии традиционно является дрожжевая промышленность, поэтому экологически важное значение имеет эффективная очистка стоков дрожжевых заводов. В стоках гидролизно-дрожжевых заводов повышена концентрация фурфурола (до 50 мг/л); в стоках заводов по производству БВК из парафинов повышена концентрация углеводородов до 600 мг/л. БПК стоков микробиологической промышленности достигает 3000 мг/л, содержание взвешенных веществ— 1000 мг/л; азота — 250, фосфора (Р2О5] —50 мг/л.
Скорость процесса биодеградации органических веществ в аэротенках зависит от количества активного ила в 1 л объема (обычно от 4 до 10 г/л), а также от массообменных и гидродинамических характеристик аппаратов. Массообмен в аэротенках зависит от системы аэрации, а гидродинамика — от структуры потоков жидкости и условий микросмешивания в различных зонах аэротенка. Аэротенки, как любые химические и биотехнологические реакторы, можно условно разделить на аппараты вытеснения и полного смешивания. К аппаратам вытеснения относятся аэротенки коридорного типа. В них происходит достаточно глубокая деструкция органических веществ. Процесс можно регулировать путем подачи субстрата в различные точки аппарата. Недостаток аэротенков вытеснения — чувствительность системы к колебаниям нагрузки. Аэротенки полного смешивания обычно используют для очистки стоков с ВПК до 3000 мг/л.
Очистку стоков желательно организовать так, чтобы их можно было использовать на производстве повторно в качестве технической воды. Однако описанная схема этого не обеспечивает, и требуется дополнительно устраивать биологические пруды, населенные водорослями и фауной. Данную проблему можно решить также путем анаэробной детоксикации отдельных соединений.
Активный ил после отстойника имеет влажность 95—99 %, поэтому его обезвоживание на полях фильтрации малоэффективно. Активный ил перед фильтрацией рекомендуется обработать флокулянтами, что позволяет заметно уменьшить объем ила и улучшает процесс фильтрации. Финская фирма «Тампелла» рекомендует использовать специальные шнековые прессы «Тасстер», которые уплотняют массу ила до 17—20 % СВ. Активный ил в натуральном виде или после обработки можно использовать для удобрения лесов, а в ограниченных количествах—для удобрения полей. Однако более рационально ил перерабатывать в биогаз.
В поверхностных аэраторах системы Кесснера снабжение кислородом обеспечивается в ограниченном слое жидкости (менее 5 м). При этом на 1 кВт мощности аэрация составляет до 1,8 кг 62. Более эффективны аэраторы типа «Симплекс» — до 2,3 кг О2 на 1кВт. Скорость массопередачи кислорода в этих системах 2—4 кг/ч.
В России до недавнего времени выпускались пневмомеханические аэраторы производительностью по воздуху 900, 1300 и 1900 м3/ч (по кислороду соответственно 54, 130 и 190 кг/ч).
Для очистки городских коммунальных стоков в некоторых западных странах успешно применяют аэротенки с керамическими аэраторами. Характеристика системы очистки стоков города с населением около 1 млн человек и объемом очищенной жидкости 550000 м3/сут приведена в табл. 7. Для эксплуатации биологической системы очистки стоков в сутки требуется 72000 кВт-ч электроэнергии, главным образом для сжатия воздуха. Высота столба жидкости в таких аэротенках открытого типа около 4 м.
Более эффективны аэротенки с большой высотой столба жидкости: колонные, башенные или шахтные. Высота шахтных аэротенков 50 м и более; в них имеется внутренняя система циркуляции субстрата, например, по внутренним трубам субстрат падает сверху вниз, а по межтрубному пространству при помощи сжатого воздуха — поднимается вверх. Стоки, имеющие ВПК 2100 мг/л, очищаются на 85 %, при этом производительность составляет 25 м3/ч; концентрация ила 6,5 г/л; эффективность аэрации 3—4 кг О2 на 1 кВт.
Таблица 7. Система аэробной очистки городских стоков
| Оборудование | Количество | Общий объем, м | Примечание |
| Резервуары для предварительной обработки стоков Аэротенки с керамической воздухораспределительной системой Дображиватели-отстойники | 4 27 9 | 35000 39000 94000 | Диаметр 63 м Размеры аэротенка 8Х X 45X4,3 м; подача воздуха 75 000 м3/ч Диаметр 53 м |
Недавно российскими и зарубежными учёными разработан аэротенк со щелевыми эжекторами из пластмассы, обеспечивающими эффективное насыщение субстрата кислородом. Аэротенк выполнен в виде четырех параллельно работающих колонн высотой 30 м. В каждой колонне установлены 72 эжектора. Производительность установки 90000 м3/сут. При необходимости, если отработанный воздух содержит вредную микрофлору или вещества, а также имеет неприятный запах, газовую среду обрабатывают в печах с инфракрасным обогревом.
На практике при аэробной очистке разбавленных стоков широко применяют аэробные фильтры, или триклеры. Это вертикальные цилиндры, заполненные щебнем, камнем, углем размером 5—10 см. Высота фильтров может быть 2—3 м. Сверху на наполнитель обычно с помощью вращающегося разбрызгивателя подают очищаемые стоки. Жидкость стекает и покрывает частицы пленкой, в которой затем развивается аэробная микрофлора (в основном гетеротрофные бактерии). В присутствии кислорода происходит окисление органических веществ стоков, стекающая жидкость поступает в осадительные бассейны. Ил не рециркулирует. Аэробные фильтры обеспечивают производительность 1—3 м3/(м2-сут).
Для очистки разбавленных стоков используют также вращающиеся биологические контакторы. Эти аэробные очистительные устройства представляют собой цилиндры, в которых на горизонтальной оси по всей длине цилиндра установлены диски из пластмассы или шифера. На 35—45 % диаметра диски погружены в жидкий субстрат. При вращении оси с частотой 2—5 об/мин субстрат прилипает к поверхности диска и в виде пленки поднимается в воздушное пространство, где обогащается кислородом. Микрофлора преимущественно фиксируется (иммобилизуется) на поверхности дисков. Вращающиеся контакторы успешно применяют для переработки стоков с ВПК 130—200 мг/л и обеспечивают его снижение на 80—85 %.
Таким образом, современные аэротенки фактически являются ферментаторами различной мощности, в которых выращивается активный ил. Как правило, в аэротенках реализуется только непрерывный процесс, чаще всего с рециркуляцией активного ила.
Аэробную очистку стоков можно интенсифицировать путем создания псевдоожиженного слоя с применением в качестве
носителя ила инертных частиц, например песка, размером 0,3— O,9 мм. Другой путь интенсификации — повышение концентрации растворенного кислорода до 12 мг/л путем подачи технического кислорода.
Анаэробные системы очистки стоков
Для очистки сточных вод в народном хозяйстве при утилизации отходов животноводческих ферм, производстве кормового витамина B12 и в других случаях используют метановое брожение. Этот процесс широко распространен в природе (разложение органических веществ в болотах, водоемах, в почве, у животных в рубце и т.д.). Метановое брожение — строго анаэробный процесс, осуществляется, как правило, в особых аппаратах — метантенках.
Биодеградация органических веществ при метановом брожении в метантенках протекает в три последовательные фазы (табл. 8).
В первой, гидролитической фазе около 76 % органических веществ переходит в высшие жирные кислоты, до 20 % — в ацетат и 4 % — в водород. Первую фазу можно разбить, в свою очередь, на фазы гидролиза и ацидогенеза (кислотообразования). Во второй фазе главными являются процессы образования из высших жирных кислот ацетата (52 %) и водорода (24%). В третьей фазе (брожение) метаногенные бактерии образуют из ацетата 72 % метана, и СОз — 28 % метана. Соотношение промежуточных и конечных продуктов в процессе метанового брожения зависит от состава среды, условий ферментации и присутствующей микрофлоры.
В первой фазе брожения принимают участие микроорганизмы, обладающие целлюлолитической, протеолитической, липолитической, сульфатвосстанавливающей, денитрифицирующей и другими видами активности. Состав доминирующей микрофлоры данной фазы зависит от состава микрофлоры поступающего в ме-тантенки субстрата, а также от химической природы деградиру-емых органических веществ. Количество аэробных и факультативно анаэробных микроорганизмов в первой фазе брожения достигает 106 кл/мл, содержание облигатных анаэробов на 2—3 порядка выше. Целлюлозоразрушающие анаэробные бактерии в метантенках могут накапливаться в количестве до 106 кл/мл. Среди бактерий, разрушающих гемицеллюлозу, обнаружены штаммы Bacterioides ruminicola, Butyrivibrio fibriosolvens и др.
Протеолитические бактерии, используемые в промышленности относятся к роду Clostridium (28 штаммов из 43 выделенных), Peptococcus anaerobis (8 штаммов), к родам Bacterioides и Eubacterium (3 штамма), а также к родам, близким к Bifidobacterium. Общее количество микроорганизмов, обладающих протеолитической активностью, в метантенках достигает 105 кл/мл. Отмечается, что до 50 % выделенных бактерий, участвующих в метановом брожении, образуют споры. Влияние микробиологического состава поступившего в ме-тантенк субстрата на микрофлору метанового брожения хорошо видно на примере анаэробного сбраживания стоков свиноферм, в культуральной жидкости которых обнаружено до 50 % энтеробактерий Е. coli и анаэробных стрептококков. В этом опыте первыми развивались бактерии, обладающие амилолитической активностью, а позднее — обладающие целлюлолитической и протеолитической активностями.
Существенная роль в процессах метанового брожения принадлежит ацетогенными и водородпродуцирующим бактериям. Эти бактерии, например Syntrophobacter wolinii, превращают пропионат в ацетат, СО2, если в среде одновременно присутствуют водородпотребляющие бактерии. Водород образуется при окислении NADH2 с образованием NAD. Содержание водорода в среде зависит не только от ацетогенных бактерий, но и от водородпотребляющих метаногенов. Метаногенная система будет работать эффективно тогда, когда парциальное давление водорода будет низким. При этом условии углеродные соединения конвертируются в ацетат, СО2 и будут плохо накапливаться различные жирные кислоты. В условиях загрузки биореактора легкодеградируемым субстратом концентрация СО2 может увеличиваться и в среде будут накапливаться пропионовая, масляная и другие органические кислоты.
В третьей фазе — метаногенной — участвуют метанобразующие бактерии. Эта группа анаэробных бактерий принадлежит к древнейшему царству живых существ — архибактериям. Строение и метаболизм метанобразующих бактерий сильно отличаются от прокариот. Так, у метаногенов маленький геном — около '/з генома кишечной палочки. Исследования последних лет показали, что последовательность нуклеотидов в РНК у метаногенов и у обычных бактерий существенно различаются. Энергию для роста эти бактерии получают при восстановлении наиболее окисленного соединения СО2 до наиболее восстановленного СН4. Предполагаемый путь автотрофной ассимиляции СО2 у Methanobacterium thermoautotrophicum показан на рис. 3.
Таблица 8. Фазы метанового брожения
| Группы бактерий, участвующие в процессе | Исходные вещества | Продукты |
Дата: 2019-07-30, просмотров: 213.
