Биокаталитическая очистка сернисто-щелочных сточных вод

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего образования

«Омский государственный технический университет»

Факультет элитного образования и магистратуры

Кафедра «Химическая технология и биотехнология»

КУРСОВАЯ РАБОТА

По дисциплине: «Биосорбционные технологии очистки сточных вод нефтехимических производств»

ТЕМА: «Биокаталитическая очистка сернисто-щелочных сточных вод»

Выполнила: студент гр. БИОм-151

Карпекова Нина Игоревна

Проверила: доц., к.б.н.

Чачина Светлана Борисовна

Омск-2016

Введение

Природная вода - не только источник водоснабжения и транспортное средство, но и среда обитания животных и растений. Круговорот воды в природе создает необходимые условия для жизни человечества на Земле.

В настоящее время защита окружающей среды от нефтесодержащих сточных вод - одна из главных задач. Мероприятия, направленные на очистку воды от нефти, помогут сберечь определенные количества нефти и сохранить чистым воздушный и водный бассейны. На земном шаре много воды, но чистой пресной воды очень мало. Круговорот воды в природе создает необходимые условия для существования человечества на земле.

Наиболее широко распространенными загрязнителями сточных вод являются нефтепродукты - неидентифицированная группа углеводородов нефти, мазута, керосина, масел и их примесей, которые вследствие их высокой токсичности, принадлежат, к числу десяти наиболее опасных загрязнителей окружающей среды. Нефтепродукты могут находиться в растворах в эмульгированном, растворенном виде и образовывать на поверхности плавающий слой.

На предприятиях нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности одна из основных экологических проблем связана с необходимостью обезвреживания или утилизации сернисто-щелочных стоков. Такие стоки относятся к наиболее загрязненным и высокотоксичным.

В соответствии с планом развития газо- и нефтехимии в России должны вырасти системы кластеров, производственным ядром которых будут крупное пиролизные производство этилена. Увеличение глубокой переработки приводит к увеличению щелочных агентов в технологическом процессе. Кроме того, в условиях, когда непрерывно возрастает доля переработка высокосернистых нефтей, следует ожидать дальнейшего увеличения количества высокотоксичных отходов - сернисто-щелоных стоков.

Существует большое количество методов очистки сернисто-щелочных стоков, однако проблема утилизации серосодержащих отходов является на сегодняшний день большой проблемой.

Глава 1. Литературный обзор сточных вод

1.1 Сточные воды

Сточные воды - пресные воды, изменившие после использования в бытовой и производственной деятельности человека свои физико-химические свойства и требующие отведения.

По происхождению сточные воды могут быть классифицированы на следующие: бытовые, производственные и атмосферные.

Бытовые сточные воды образуются в жилых, административных и коммунальных (бани, прачечные и др.) зданиях, а также в бытовых помещениях промышленных предприятий. Это сточные воды, которые поступают в водоотводящую сеть от санитарных приборов (умывальников, раковин или моек; ванн, унитазов и трапов - напольных приборов с решетками).

Атмосферные сточные воды образуются в процессе выпадения дождей и таяния снега, как на жилой территории населенных пунктов, так и территории промышленных предприятий, АЗС и др. Часто эти воды называют дождевыми или ливневыми, вследствие того, что в большинстве случаев максимальные (расчетные) расходы образуются в результате выпадения ливней (дождей).

Производственные сточные воды образуются в процессе производства различных товаров, изделий, продуктов, материалов и пр. К ним относятся отработавшие технологические растворы, кубовые остатки, технологические и промывные воды, воды барометрических конденсаторов, вакуум-насосов и охлаждающих систем; шахтные и карьерные воды; воды химводоочистки; воды от мытья оборудования и производственных помещений, а также от очистки и охлаждения газообразных.

Основными характеристиками сточных вод являются: количество сточных вод, характеризуемое расходом, измеряемым в л/с или м3/с, м3/ч, м3/смену, м3/сут и т.д.; виды (компоненты) загрязнений и содержание их в сточных водах, характеризуемое концентрацией загрязнений, измеряемой в мг/л или г/м3. Важной характеристикой сточных вод является степень равномерности (или неравномерности) их образования и поступления в водоотводящие системы. Обычно она определяется неравномерностью поступления сточных вод по часам суток к году. Эти характеристики учитываются при проектировании водоотводящих систем.

На всх этапах очистки сточных вод ведется строгий контроль за качественным составом воды. При этом проводится детальный анализ состава сточной воды с выяснением не только концентраций тех или иных соединений, но и более полное определение качественного и количественного состава загрязнителей. Необходимость такого анализа определяется спецификой системы переработки, так как в сточных водах могут присутствовать токсические вещества, способные привести к гибели микроорганизмов и вывести систему из строя.

Определение таких показателей, как органолептические (цвет, вид, запах, прозрачность, мутность), оптическая плотность, рН, температура не вызывает трудностей. Сложнее определить содержание органических веществ в сточной воде, которое необходимо знать для контроля работы очистных сооружений, повторного использования сточных вод в технологических процессах, выбора метода очистки и доочистки, окончания процесса очистки, а также оценки возможности сброса воды в водоемы.

При определении содержания органических веществ широко используются два способа: химическое потребление кислорода и биохимическое потребление кислорода. В первом случае методика основана на окислении веществ, присутствующих в сточных водах, 0,25% раствором дихромата калия при кипячении пробы в течение 2 часов в 50% (по объему) растворе серной кислоты. Для полноты окисления органических веществ используется катализатор - сульфат серебра. Дихроматный способ достаточно прост и легко автоматизируется, что обуславливает его широкое распространение.

Биохимическое потребление кислорода измеряется количеством кислорода, расходуемым микроорганизмами при аэробном биологическом разложении веществ, содержащихся в сточных водах при стандартных условиях за определенный интервал времени. Определение биохимического потребления кислорода требует специальной аппаратуры. В герметичный ферментер помещается определенное количество исследуемой сточной воды, которую засевают микроорганизмами. В процессе культивирования регистрируется изменение количества кислорода, пошедшего на окисление соединения, присутствующего в сточных водах. Лучше всего культивировать микроорганизмы из уже работающих биологических систем, адаптированных к данному спектру загрязнений.

Определение лишь одного из показателей качества сточной воды (химического или биохимического потребления кислорода) не всегда позволяет оценить как ее доступность для биологической очистки, так и степень конечной очистки. Так, например, имеется целые группы соединений, определение химического потребления кислорода для которых невозможно, хотя эти соединения вполне доступны для биохимического определения кислорода и наоборот. Все это говорит о том, что для оценки чистоты сточных воды необходимо использовать одновременно оба метода.

1.2 Санитарно-химические показатели загрязнения сточных вод

Состав вод и их свойства оценивают по результатам санитарно-химического анализа, включающего наряду со стандартными химическими тестами целый ряд физических, физико-химических и санитарно-бактериологических определений.

Сложность состава сточных вод и невозможность определения каждого из загрязняющих веществ приводит к необходимости выбора таких показателей, которые характеризовали бы определенные свойства воды без идентификации отдельных веществ. Такие показатели называются групповыми или суммарными. Например, определение органолептичемких показателей (запах, окраска) позволяет избежать количественного определения в воде каждого из веществ, обладающих запахом или придающих воде окраску.

Полный санитарно-химический анализ предполагает определение следующих показателей: температура, окраска, запах, прозрачность, величина рН, сухой остаток, плотный остаток и потери при прокаливании, взвешенные вещества, оседающие вещества по объёму и по массе, перманганатная окисляемость, химическая потребность в кислороде (ХПК), биохимическая потребность в кислороде (БПК), азот (общий, аммонийный, нитритный, нитратный), фосфаты, хлориды, сульфаты, тяжелые металлы и другие токсичный элементы, поверхностно-активный вещества, нефтепродукты, растворенный кислород , микробное число, бактерии группы кишечной палочки (БГКП), яйца гельминтов. Кроме перечисленных показателей, в число обязательных тестов полного санитарно-химического анализа на городских очистных станциях может быть включено определение специфических примесей, поступающих в водоотводящую сеть населенных пунктов от промышленных предприятий.

Температура - один из важных технологических показателей. Функцией температуры является вязкость жидкости и, следовательно, сила сопротивления оседающим частицам. Поэтому температура - один из определяющих факторов процесса седиментации. Важнейшее значение имеет температура для биологических процессов очистки, так как от нее зависят скорости биохимических реакций и растворимость кислорода в воде.

Окраска - один из органолептических показателей качества сточных вод. Хозяйственно-фекальные сточные воды обычно слабо окрашены и имеют желтовато-буроватые или серые оттенки. Наличие интенсивной окраски различных оттенков - свидетельство присутствия производственных сточных вод. Для окрашенных сточных вод определяют интенсивность окраски по разведению до бесцветной, например 1:400; 1:250 и т.д.

Запах - органолептический показатель, характеризующий наличие в воде пахнущих летучих веществ. Обычно запах определяют качественно при температуре пробы 200С и описывают как фекальный, гнилостный, керосиновый, фенольный и т.д. При неясно выраженном запахе определение повторяют, подогревая пробу до 650С. Иногда необходимо знать пороговое число - наименьшее разбавление, при котором запах исчезает.

Концентрация ионов водорода выражается величиной рН. Этот показатель чрезвычайно важен для биохимических процессов, скорость которых может снижаться при резком изменении реакции среды. Установлено, что сточные воды, подаваемые на сооружения биологической очистки, должны иметь значение рН в пределах 6,5 - 8,5. Производственные сточные воды (кислые или щелочные) должны быть нейтрализованы перед сбросом в водоотводящую сеть, чтобы предотвратить ее разрушение.

Прозрачность характеризует общую загрязненность сточной воды нерастворенными и коллоидными примесями, не идентифицируя вид загрязнений.

Сухой остаток характеризует общую загрязненность сточных вод органическими и минеральными примесями в различных агрегативных состояниях (в мг/л). Определяется этот показатель после выпаривания и дальнейшего высушивания при температуре 1050С пробы сточной воды. После прокаливания (при t = 6000С) определяется зольность сухого остатка. По этим двум показателям можно судить о соотношении органической и минеральной частей загрязнений в сухом остатке.

Плотный остаток - это суммарное количество органических и минеральных веществ в профильтрованной пробе сточных вод (в мг/л). Определяется при таких же условиях, что и сухой остаток. После прокаливания плотного остатка при t = 6000С можно ориентировочно оценить соотношение органической и минеральной частей растворимых загрязнений сточных вод. При сравнении прокаленных сухого и плотного остатков городских сточных вод определено, что большая часть органических загрязнений находится в нерастворенном состоянии. При этом минеральные примеси в большей степени находятся в растворенном виде.

Взвешенные вещества - показатель, характеризующий количество примесей, которое задерживается на бумажном фильтре при фильтровании пробы. Это один из важнейших технологических показателей качества воды, позволяющий оценить количество осадков, образующихся в процессе очистки сточных вод. Кроме того, этот показатель используется в качестве расчетного параметра при проектировании первичных отстойников. Количество взвешенных веществ - один из основных нормативов при расчете необходимой степени очистки сточных вод. Потери при прокаливании взвешенных веществ определяются так же, как для сухого и плотного остатков, но выражаются обычно не в мг/л, а в виде процентного отношения минеральной части взвешенных веществ к их общему количеству по сухому веществу. Этот показатель называется зольностью.

Оседающие вещества - часть взвешенных веществ, оседающих на дно отстойного цилиндра за 2 ч отстаивания в покое. Этот показатель характеризует способность взвешенных частиц к оседанию, позволяет оценить максимальный эффект отстаивания максимально возможный объем осадка, который может быть получен в условиях покоя.

Под окисляемостью понимают общее содержание в воде восстановителей органической и неорганической природы. Окисляемость - групповой показатель. В зависимости от природы используемого окислителя различают химическую окисляемость, если при определении используют химический окислитель, и биохимическую, когда роль окислительного агента выполняют аэробные бактерии - этот показатель - биохимическая потребность в кислороде - БПК. В свою очередь, химическая окисляемость может быть перманганатной (окислитель KMnO4), бихроматной (окислитель K2Cr2O7) и иодатной (окислитель KJO3). Результаты определения окисляемости независимо от вида окислителя выражают в мг/л О2. Бихроматную и йодатную окисляемость называют химической потребностью в кислороде или ХПК.

Перманганатная окисляемость - кислородный эквивалент легко-окисляемых примесей. Основная ценность этого показателя - быстрота и простата определения. Перманганатная окисляемость используется с целью получения сравнительных данных. Тем не менее, есть такие вещества, которые не окисляются KMnO4. Определяя ХПК, можно достаточно полно оценить степень загрязнённости воды органическими веществами.

Азот находится в сточных водах в виде органических и неорганических соединений. В городских сточных водах основную часть органических азотистых соединений составляют вещества белковой природы - фекалии, пищевые отходы. Неорганические соединения азота представлены восстановленными - NH4+ и NH3 окисленными формами NO2- и NO3-. Аммонийный азот в большом количестве образуется при гидролизе мочевины - продукта жизнедеятельности человека. Кроме того, процесс аммонификации белковых соединений также приводит к образованию соединений аммония.

В городских сочных водах до их очистки азот в окисленных формах (в виде нитритов и нитратов), как правило, отсутствует. Нитриты и нитраты восстанавливаются группой денитрифицирующих бактерий до молекулярного азота. Окисленные формы азота могут появиться в сточной воде лишь после биологической очистки.

Источником соединений фосфора в сточных водах являются физиологические выделения людей, отходы хозяйственной деятельности человека и некоторые виды производственных сточных вод.

Концентрации азота и фосфора в сточных водах - важнейшие показатели санитарно-химического анализа, имеющие значение для биологической очистки. Азот и фосфор - необходимые компоненты состава бактериальных клеток. Их называют биогенными элементами. При отсутствии азота и фосфора процесс биологической очистки невозможен.

Хлориды и сульфаты - показатели, концентрации которых влияет на общее солесодержание.

В группу тяжелых металлов и других токсичных элементов входит большое число элементов, которое по мере накопления знаний о процессах очистки все более возрастает. К токсичным тяжелым металлам относят железо, никель, медь, свинец, цинк, кобальт, кадмий, хром, ртуть; к токсичным элементам, не являющимся тяжелыми металлами - мышьяк, сурьма, бор, алюминий и т.д.

Источник тяжелых металлов - производственные сточные воды машиностроительных заводов, предприятий электронной, приборостроительной и других отраслей промышленности. В сточных водах тяжелые металлы содержатся в виде ионов и комплексов с неорганическими и органическими веществами.

Синтетические поверхностно-акмивные вещества (СПАВ) - органические соединения, состоящие из гидрофильной частей, обуславливающих растворение этих веществ в маслах и в воде. Примерно 75% общего количества производимых СПАВ приходится на долю анионо-активных веществ, второе место по выпуску и использованию занимают неионогенные соединения. В городских сточных водах определяют СПАВ этих двух типов.

Нефтепродукты - неполярные и малополярные соединения, экстрагируемые гексаном. Концентрация нефтепродуктов в водоемах строго нормируется, и поскольку на городских очистных сооружениях степень их задержания не превышает 85%, в поступающей на станцию сточной воде также ограничивается содержание нефтепродуктов.

Растворенный кислород в поступающих на очистные сооружения сточных водах отсутствует. В аэробных процессах концентрация кислорода должна быть не менее 2 мг/л.

Санитарно-бактериологические показатели включают: определение общего числа аэробных сапрофитов (микробное число), бактерий группы кишечной палочки и анализ на яйца гельминтов.

Микробное число оценивает общую обсемененность сточных вод микроорганизмами и косвенно характеризует степень загрязненности воды органическими веществами - источниками питания аэробных сапрофитов. Этот показатель для городских сточных вод колеблется в пределах 106-108.

загрязненность сера вода биофильтр

1.3 Сернисто-щелочные сточные воды: состав и источники образования

Сернисто-щелочные сточные воды являющиеся крупнотоннажными промышленными отходами нефтепереработки, образуются на нефтеперерабатывающих заводах пиролиза углеводородов, в производстве синтетического каучука, а также в процессах щелочной очистки вырабатываемых светлых нефтепродуктов и сжиженных газов фракционирования. Состав этих вод зависит от качества перерабатываемой нефти и получаемых из неё продуктов подвергаемых защелачиванию.

По своему составу указанные стоки представляет собой водный раствор солей натрия (сульфид, гидросульфит, карбонат, биокарбонат) и едкого натра, содержащий в виде примеси растворённые углеводородные газы, органические соединения, полимерные вещества небольшой молекулярной массы, взвешенные вещества, нефть и нефтепродукты.

1.4 Воздействие соединения серы на окружающую среду

Одним из основных санитарных требований, предъявляемых к качеству воды, является содержание в ней необходимого количества кислорода. Вредное воздействие оказывают все загрязнения, которые, так или иначе, содействуют снижению содержания кислорода в воде, обуславливая высокое химическое потребление кислорода ХПК.

Кроме восстановленных соединений серы, к кислородпотребляющим веществам в составе сточных вод нефтепереработки относится поверхностно-активные вещества жиры, масла, смазочные материалы и другие нефтепродукты, которые, кроме того, образуют на поверхности воды пленку, которая препятствует газообмена между атмосферой, что снижает степень насыщенности кислородом

Стоки, содержащие органические и неорганические соединения серы, являются наиболее экологически опасными среди сточных вод, образующихся на производстве синтетического каучука, нефтеперерабатывающей и других отраслей промышленности.

Большинство восстановленных соединений серы в составе сточных вод токсичны и имеют неприятный запах, а также при взаимодействии с водой вызывают интенсивную коррозию поверхности трубопроводов и оборудования. Наиболее опасно с точки зрения экологии сероводород низшие меркаптаны и элементная сера.

Состав сточных вод промышленных предприятий весьма разнообразен и индивидуален. Вредное воздействие соединения серы в составе сточных вод на окружающую среду определяются их физико-химические и таксилогическими свойствам.

Таблица 1. - Состав стоков этиленового производства в зависимости от типа и факторов производства

Вещество	Содержание
H2O, % масс.	82-92
Na2S, NaHS, % масс.	0-10
NaHCO3, % масс.	0,1-15
NaOH, % масс.	0-8
Эфироизвлекаемые углеводороды, мг/дм3	50-2500
Полимеры, % об.	0-2%
Взвешенные вещества, мг/дм3	80-400

1.5 Оборот воды на предприятии

Основное количество воды расходуется на охлаждение нефтепродуктов, технологических аппаратов и машин. Вода при этом только нагревается до 45 оС, а не загрязняется. Отработавшая охлаждающая вода относятся к группе условно чистых вод, после охлаждения она должна быть полностью использована для обратного водоснабжения.

Системы водоснабжения должны быть, как правило, оборотные. Свежую воду подают только для технологических аппаратов и машин, для которых это обусловлено специальными требованиями.

Очистка оборотной воды, а также предварительная обработка сточных вод отдельных технологических установок и производств до объединения этих вод в общей канализационной системе производится на локальных установках.

Окончательная биохимическая очистка чаще всего осуществляется на районных очистных сооружениях данного промышленного узла, включающего группу промышленных предприятий и населенных пунктов.

Глава 2. Методы очистки сточных вод

Методы очистки сточных вод можно разделить на механические, физико-химические и биохимические. В процессе очистки сточных вод образуются осадки, которые подвергаются обезвреживанию, обеззараживанию, обезвоживанию, сушке, возможна последующая утилизация осадков. Если по условиям сточных вод в водоем, требуется более высокая степень очистки, то после сооружений полной биологической очистки сточных вод устраивают сооружения глубокой очистки. В соответствии с «Правилами охраны поверхностных вод от загрязнения сточными водами» сточные воды после очистки перед сбросом в водоем подвергают обеззараживанию с целью уничтожения патогенных микроорганизмов.

2.1 Физико-химические, механические методы очистки

Эффективным энергетическим воздействием на структуру загрязнений сточных вод обладают физико-химические процессы.

Методы очистки сточных, в основе которых лежат процессы, описываемые физико-химическими законами, называются физико-химическими.

Наличие источника внешней энергии является обязательным условием применение физико-химических процессов очистки сточных вод. Для осуществления используют разнообразные виды энергии: электрическую, химическую, тепловую, механическую и другие.

Рассматривая сточные воды как термодинамические системы, обладающие запасом энергии, определяющим их текущее состояние, можно принципиально определить область применения физико-химических технологий.

Прежде всего, им следует отдать предпочтение, когда очистка сточных вод невозможна или недостаточна при использовании собственного запаса энергии системы. Поэтому наибольшее распространение они получили в системах очистки производственных сточных вод.

Сущность механических методов состоит в том, что из сточных вод путем отстаивания и фильтрации удаляется механические примеси. Грубодисперсные частицы в зависимости от размеров улавливаются решетками, ситами, песколовками, септиками, и др., а поверхностные загрязнения нефтеловушками и отстойниками.

При использовании физико-химических методов обработки сточных вод удаляется тонкодисперсные неорганические примеси, также разрушается органические плохо растворимые вещества (коагуляция, сорбция, экстракция). В основе физических методов дегазации воды лежит изменение физических свойств обрабатываемой воды: температура воды или парциальное давление удаляемого газа.

Сущность химических методов удаления из воды сероводорода заключается в добавлении к стоку специальных реагентов, вступающих в реакцию с сероводородом. В результате происходит связывание или перевод его в менее активные соединения. В качестве реагентов при химической обработке сероводородных вод используют хлор, гидрат окиси железа и железо, пиролюзит, марганцовокислый калий, кислород перекись водорода.

Сточные воды, прошедшие механическую и физико-химическую очистку, содержат еще достаточно большое количество растворенных и тонкодиспергированных нефтепродуктов, а также других органических загрязнений и не могут быть выпущены в водоем без дальнейшей очистки.

2.2 Биотехнологические методы очистки сточных вод

Наиболее универсален для очистки сточных вод от органических загрязнений является биологический метод. Он основан на способности микроорганизмов использовать разнообразные вещества, содержащиеся в сточных водах, в качестве источника питания в процессе их жизнедеятельности. Задачей биологической очистки является превращение органических загрязнений в безвредные продукты окисления - H2O, CO2, NO3-, SO42- и др. Процесс биохимического разрушения органических загрязнений в очистных сооружениях происходит под воздействием комплекса бактерий и простейших микроорганизмов, развивающихся в данном сооружении.

Бактерии имеют очень разнообразные физиологические возможности в отношении питательных веществ и условий окружающей среды, что позволяет удалять из сточных вод практически любые органические соединения.

В клетках бактерий одновременно протекает множество биохимических реакций. Ферменты, ускоряющие биохимические реакции, имеют высокую каталитическую активность, т.е. эффективно снижают энергию активации, необходимую для осуществления реакции, благодаря тому, что способствуют образованию промежуточных продуктов, требующих меньшей энергии.

Ферменты вырабатываются клеткой в соответствии с ее потребностями, и их содержание может колебаться в значительной степени. Ферменты имеют высокую специфичность, а их активность зависит от различных факторов (температуры, рН, состава питательной среды, наличия токсичных веществ).

Бактериальное разложение органических веществ может происходить в анаэробных и в аэробных условиях.

Основное отличие анаэробного сбраживания от аэробного окисления заключается в том, что при разложении органического вещества в анаэробных условиях акцептором электронов может служить либо связанный кислород органических и неорганических соединений (анаэробное дыхание), либо промежуточные продукты реакции при сопряженном окислении-восстановлении одних и тех же молекул субстрата (брожение), а не молекулярный кислород.

Анаэробные бактерии по сравнению с аэробными менее эффективно используют энергию, получаемую при фосфорилировании. Это обусловливает значительно меньший прирост биомассы микроорганизмов в анаэробных условиях по сравнению с аэробными при одинаковом количестве переработанных питательных веществ.

Основными процессами, используемыми при биологической очистке, являются аэробные, при которых органические вещества окисляются, в конечном счете, до углекислоты и воды. Клетки получают биологически полезную энергию за счет ферментативных реакций, в ходе которых электроны переходят с одного энергетического уровня на другой. Для большинства организмов конечным акцептором электронов служит кислород. Передача электронов кислорода происходит при участии системы переноса электронов, которая последовательно передает их различным компонентам системы и в конце концов присоединяет их к кислороду, активируя его. Активированный кислород вступает в реакцию с ионизированным атомом водорода, образуя воду или перекись водорода. В ходе ферментативных реакций энергия электронов связывается в макроэргических связях АТФ.

Любая окислительная реакция сопровождается реакцией восстановления. Передача электронов через систему переноса электронов, происходящая путем ряда последовательных реакций окисления-восстановления, является биологическим окислением.

Для образования и постоянного накопления энергии в процессе окислительного обмена в аэробных условиях чрезвычайно важно снабжение клетки кислородом и его концентрация в среде.

Активный ил и биопленка представляют собой сообщество организмов, основную часть которого составляют бактерии, в незначительном количестве присутствуют различные виды простейших, коловратки, некоторые виды червей.

Для правильного использования микроорганизмов при биологической очистке необходимо знать физиологию микроорганизмов, т.е. физиологию процесса питания, дыхания, роста и их развития.

Всякий живой организм отличается от неживого наличием обмена веществ, в процессе которого происходит усвоение питательных веществ и выделение продуктов жизнедеятельности.

Основными процессами обмена веществ являются питание и дыхание.

Биохимическая очистка производственных сточных вод нефтеперерабатывающих заводов производится в аэрофильтрах (биофильтры), аэротенках и биологических прудах.

2.2.1 Биологические пруды для очистки сточных вод

Биологические пруды представляют собой каскад прудов, состоящий из 3 - 5 ступеней, через которые медленно протекает осветленная или биологически очищенная сточная вода. Пруды устраиваются для биологической очистки сточных вод в естественных условиях на слабофильтрующих грунтах в виде отдельных водоемов. В результате жизнедеятельности плангтона (фитопланктона) ассимилируется свободная и бикарбонатная кислота, благодаря чему рН воды днем повышается до 10 - 11, что приводит к быстрому отмиранию бактерий.

Биологические пруды как самостоятельные очистные сооружения по СНиП допускается применять (при надлежащем обосновании) для населенных мест, расположенных в IV климатическом районе. Пруды могут проектироваться также для доочистки сточных вод в сочетании с другими очистными сооружениями.

В биологических прудах должно быть 2-3 ступени - при поступлении биологически очищенных сточных вод и 4-5 ступеней - при поступлении отстоенных сточных вод.

Биологические пруды рассчитываются по нагрузке сточными (первый случай) водами на 1 га водной поверхности пруда или по величине реаэрации (второй случай).

В первом случае эта нагрузка принимается равной (без разбавления для отстоенных сточных вод) до 250 м3/га в сутки и для биологически очищенных сточных вод - до 5000 м3/га в сутки; во втором случае - из расчета величины реаэрации, равной 6 - 8 г кислорода в сутки с 1 м2 пруда в зависимости от климатических условий (СНиП).

Среднюю глубину воды в биологических прудах принимают в зависимости от местных условий в пределах 0,5-1 м. При использовании прудов для рыборазведения к ним должна подводиться осветленная сточная жидкость, разбавляемая речной водой в 3-5 раз. При этом в составе биологических прудов должен быть малый пруд глубиной не менее 2,5 м, предназначенный для рыбы в зимнее время.

При очистке сточных вод в биологических прудах, уменьшается количество бактерий - более чем в 100 раз, понижается окисляемость на 90%, снижается количество органического азота - на 88, аммиака - на 97 и БПК - до 98%. Осенью пруды, не предназначенные для выращивания рыбы, опорожняют, в зимнее время их используют как накопители. Весной пруды заполняются водой и примерно через месяц начинают работать на проток. Возможна также контактная работа прудов. Дно пруда рекомендуется ежегодно вспахивать. Сточные воды должны находиться в прудах 20-30 суток. Впускать сточные воды в пруды рекомендуется в дневное время. Пруды нужно располагать вблизи естественных водоемов. Количество растворенного кислорода в воде должно быть не ниже 2,5 мг/л. Дно пруда планируется в сторону выпуска. Глубина у впуска обычно принимается 0,5 м, у выпуска - до 1-2 м. Пруды проектируются площадью 0,5-1,5 га и более.

При проектировании прудов, имеющих естественный водосбор, водосбросные сооружения нужно рассчитывать на дополнительный пропуск паводкового и ливневого расхода. В зависимости от условий выпуска (опорожнения), диктуемых рельефом, емкость пруда может быть образована устройством запруд по тальвегам, использованием существующих либо созданием искусственных выемок (котловин), ограждением территории валиками (дамбами). В верхнем пруде устраивают 2-3 впуска. Для лучшего распределения потока сточной жидкости поперек первого пруда устанавливают два ряда плетней. Перепуски из прудов устраивают в виде лотков шириной 0,4 м через 30 м. Из последнего пруда вода выпускается при помощи шахтных водосбросов.

После выхода из очистных сооружений сточные воды выпускаются в тальвеги балок и оврагов, где устраиваются каналы с незначительным уклоном, длина которых достигает сотен метров, а иногда и нескольких километров.

Исследуемые каналы располагались в тальвегах сухих балок со среднегодовой температурой воздуха местности 6,8 + 7,1°С и среднегодовым количеством осадков 500-510 мм. Скорость движения сточной воды в этих каналах колебалась в пределах 0,01-0,05 м/сек, время пребывания стоков в канале - от 7 до 28 ч. Слой воды в канале (не считая осадка) приняли в пределах 0,025-0,15м, ширина канала - в пределах 0,65-1,5 м.

На сточную воду, протекающую в каналах с малой скоростью и малой глубиной, но сравнительно большой шириной потока, воздействуют солнечные лучи, кислород воздуха и другие климатические факторы, отчего концентрация загрязнений в сточной воде по мере удаления ее от места выпуска уменьшается. Происходит естественное самоочищение сточных вод. Такие каналы называются естественными окислительными каналами, так как в них происходят процессы окисления, подобные процессам, происходящим в биологических прудах.

Искусственные окислительные каналы применяют за рубежом (Голландия, США и др.) в климатических условиях с минимальной температурой воздуха (до -8°С) и дают хорошие результаты при очистке малых количеств сточных вод. В таких каналах концентрация загрязнений снижается по БПК5 до 98%, резко падает бактериальное загрязнение и содержание взвешенных веществ. Искусственные окислительные каналы как очистные сооружения в наших условиях применяются пока редко.

Степень очистки сточных вод в естественных каналах зависит от длины сбросного канала и его уклона.

При очистке сточных вод в естественных окислительных каналах на двух объектах отбирались пробы сточной воды перед септиками, после септиков и по каналам через каждые 100 м, для химических и бактериологических анализов. На обоих объектах количество сточных вод колебалось в пределах 100-150 м3 в сутки. Первичными отстойниками служили септики, плохо эксплуатируемые (почти не очищались).

Анализы показали, что в естественных окислительных каналах намного снизилась концентрация загрязнений сточных вод. На протяжении исследуемых 1000 м канала сточная вода очищается, как в химическом, так и в бактериологическом отношениях.

2.2.2 Аэротенки

Для полной биологической очистке сточных вод малых населенных пунктов применяются: аэрационные установки, работающие по методу полного окисления (аэротенки подлинной аэрации); аэрационные установки с аэробной стабилизацией избыточного активного ила. Установки обоих типов обеспечивают стабильную высокую эффективность очистки сточных вод, могут применятся в любых климатических, грунтовых и гидрогеологических условиях и не требую отвода больших площадей земли. Установки, работающие по методу полного окисления. Они предназначены для полной биологической очистки бытовых и близких к ним по составу производственных сточных вод. Полное окисление органических загрязнений протекает в три фазы. В первой фазе наличия большого количества органических веществ в сточной жидкости обеспечивает быстрое размножение микроорганизмов с непрерывным прогрессированием общего их количества. Во второй фазе нагрузка по органическим загрязнениям на активный значительно ниже и из-за недостаточного количества этих загрязнений размножение микроорганизмов несколько сдерживается. Устанавливается определенное соотношение между количеством поступивших органических веществ и приростом ила. В третей фазе размножение микроорганизмов активного ила замедляется из-за недостатка органических загрязнений. Ил как бы находится в «голодном» состоянии. Это заставляет микроорганизмы активного ила использовать не только органические вещества поступившие со сточными водами, но и большую часть органических веществ отмерших микроорганизмов, т.е. минерализовать органическую часть самого активного ила. В результате полного окисления органических загрязнений прирост активного ила настолько мал, что его можно удалять из сооружений через 1-4 месяца.

Компактные установки (КУ) производительностью 12 и 25 куб.м в сутки изготавливаются в заводских условиях в виде единого металлического блока. Все установки конструктивно выполнены в виде аэротенко-отстойников с принудительным возвратом активного ила. Установки производительностью 12 куб.м в сутки оборудованы механической системой аэрации, остальные - эжекторной или пневматической. Принцип работы установки сточные воды пропускают через решетку и без первичного отстаивания направляют в зону аэрации. Здесь происходит биологическая очистка сточных вод активным илом, который поддерживается во взвешенном состоянии за счет вращения роторного аэратора. Затем после полутора часового контакта в аэрационном объеме, смеси сточных вод и активного ила по дегазационному каналу поступает в зону отстаивания. Осевший ил через нижнюю щель отстойника возвращается в аэрационную зону. Сверху установка перекрывается щитами для предохранения от замерзания в зимний период. На установку сточная жидкость поступает через входной патрубок и по подающему лотку перетекает в два распределительных лотка, проходящих по продольным стенкам. Для предотвращения осаждения взвешенных веществ в лоток подается сжатый воздух. Из распределительных лотков через отверстия с регулируемыми треугольными водосливами сточная вода переливается в аэротенк-отстойник. Аэрационные зоны расположены по продольным стенкам. Воздух в аэрационную зону подается от воздуходувок по воздухопроводам и распределяется через дырчатые трубы. В аэротенка возможно применение эжекционной аэрации. Отстойная зона расположена в центре установки. Смесь сточных вод и активного ила поступает в зону через нижнюю щель, проходит через взвешенный слой, образованный активным илом, где происходит разделение активного ила и очищенной сточной жидкости. Последняя поднимается к поверхности отстойной зоны, протекает через затопленные отверстия в сборный лоток и по нему отводится из установки. Активный ил увлекается потоком в бункеры отстойной зоны и перекачивается лифтами в аэрационные зоны. Избыточный активный ил периодически (1 раз в 1-4 месяца) удаляется из аэрационных зон на иловые площадки. Компактные установки КУ-12 - КУ-200 прошли длительные испытания на многих очистных станциях, качество очищенного стока БПК и взвешенным веществам составляет 12-15 мг/л, концентрация аммонийного азота снижается на 40%. Эффективность очистки сточных вод на этих сооружениях повышается, если во вторичных отстойниках использовать тонкослойные модули. ГПИ «Эстонпроект» была разработана установка БИО заводского изготовления. Она представляет собой аэротенк-отстойник, работающий в режиме продленной аэрации. Принцип работы БИО-25 аналогичен установкам КУ. Продолжительность аэрации около суток. В этих сооружениях использованы эжекторная или пневматическая система аэрации.

Институтом Уралагропромпроект в 1988 году был разработан проект очистных сооружений канализации. Биологическая очистка осуществляется в аэротенке-отстойнике, совмещенном с сооружением доочистки сточных вод. Одна секция рассчитана на расход 50 куб.м в сутки. Максимальная пропускная способность очистной станции 500 куб.м в сутки. В зоне аэрации принят режим полного окисления органических загрязнений. Аэрация - пневматическая, среденепузырчатая продолжительность ее в среднем 18-20 часов. Сточная вода поступает в зону аэрации по трубопроводу диаметром 100 мм, туда же попадает воздух от воздуходувки и циркуляционный активный ил с помощью эрлифта. По истечении периода биологической очистки активный ил со сточной водой поступает во вторичный отстойник, где происходит осветление стоков. Активный ил, находящийся главным образом в нижней части отстойника, эрлифтом подсасывается и перекачивается в зону аэрации. Избыточный активный ил периодически удаляется из зоны аэрации через илопровод диаметром 100 мм на иловые площадки. Осветленная вода поступает по трубопроводу из отстойной зоны в сооружения доочистки стоков. В качестве сооружения доочистки могут быт использованы биореакторы с затопленной загрузкой, либо эту часть сооружений можно использовать как нитрификатор - денитрификатор. Выбор сооружения доочистки зависит от местных условий и требований качества очищенного стока. В каждом конкретном случае необходима частичная реконструкция сооружения доочистки.

Установки, работающие по методу аэробной стабилизации избыточного активного ила. Аэробная стабилизация - это процесс окисления органических веществ в присутствии микроорганизмов и кислорода атмосферного воздуха, вводимого принудительно. Этот процесс, с точки зрения кинетики распада органики, аналогичен процессу окисления органических загрязнений в аэротенке. Аэробная стабилизация осадка приемлема до 1400 куб.м в сутки и более. Поскольку продолжительность процесса зависит от начальной концентрации органических загрязнений и объема образующегося осадка, то для малых расходов стабилизаторы получаются малыми и легко эксплуатируемыми.

В стабилизатора широко применяется как пневматическая (дырчатые трубы), так и механическая (турбинные или струйные аэраторы) аэрация. На процесс стабилизации осадков влияет наличие токсичных, агрессивных и трудно окисляемых веществ при концентрациях, превышающих допустимые.

Метод аэробной стабилизации избыточного ила по сравнению с методом анаэробной обработки осадка имеет такие существенные преимущества:

-простота конструктивного исполнения сооружений;

-отсутствие взрывоопасности;

-хорошие санитарно-гигиенические показатели;

-лучшие водоотдающие свойства;

-легкость автоматизации процесса;

-простота обслуживания сооружений.

Установки заводского изготовления разработаны для очистных станций, они представляют собой блок, объединяющий аэротенк, вторичный отстойник и стабилизатор избыточного активного ила. Система аэрации пневматическая.

Сточная вода, пройдя решетку-дробилку, установленную вне блока, и песколовку, поступает в падающий лоток с четырьмя треугольными регулируемыми водосливами и подаются в аэротенк. Аэротенк - квадратный в плане резервуар, по дну которого положены четыре плети перфорированных труб диаметром 150 мм. Аэротенк расчитан на продолжительность пребывания в нем сточных вод в течении 9 часов в часы максимального притока. С противоположной стороны аэротенка имеются затопленные окна для подачи сточных вод в отстойник. Отстойник - вертикально типа. В нем устанавливается перегородка, направляющая поток жидкости в нижнюю зону. Сборные лотки осветленной воды выполняют с регулируемыми треугольными водосливами. Осветленная сточная жидкость поступает из вторичных отстойников на сооружения доочистки и обеззараживания. В отстойнике имеются шесть приемников, каждый из которых снабжен эрлифтом с трубопроводом возврата активного ила в аэрационную зону; три приемника имеют эрлифты с трубопроводами, направленными в стабилизатор. Вдоль отстойника расположен мостик для обслуживания, куда вынесены вентили управления эрлифтами.

Продолжительность пребывания стоков в отстойнике 1,5 часа. Поступление в стабилизатор свежих порций активного ила вызывает одновременное отделение такого же объема воды в отстойной зоне стабилизатора, которая отводится вместе с очищенными сточными водами из установки. Выгрузка из стабилизатора обработанного активного ила производится при достижении в нем предельной концентрации ила. Период выгрузки составляет 7-10 суток. Очистка стоков на это установке осуществляется без первичного отстаивания, БПК очищенного стока составляет 15 мг/л. На рис.11 показана схема установки с аэробной стабилизацией активного ила и механическими аэраторами. Эти сооружения выполняют в блочном варианте что позволяет набирать необходимую производительность (700-400 куб.м в сутки и более). Установка работает следующим образом: сточная вода после решеток-дробилок и песколовки без отстаивания поступает в аэрационную часть сооружения. Аэрация смесь активного ила и сточных вод осуществляется механическим аэратором, установленным исключительно в центре аэрационной части. Обработанная жидкость в смеси с активным илом через затопленный водослив поступает в дегазационную камеру и в отстойник. Возврат активного ила в аэрационную зону осуществляется из бункерной части отстойника через циркуляционный трубопровод за счет гидростатического напора механического аэратора. Одновременное поступление сточных вод и возвратного ила обеспечивает их хорошее смешение, а это в свою очередь приводит к эффективному изъятию загрязнений. Осветленные сточные воды собираются в отводной лоток вторичного отстойника, устроенного на поверхности жидкости, и отводится на сооружения доочистки и обеззараживания

2.2.3 Биофильтры

Биологический фильтр - сооружение, в котором сточная вода фильтруется через загрузочный материал, покрытый биологической пленкой, образованной колониями микроорганизмов. Биофильтр состоит из следующих основных частей:

а)фильтрующей загрузки (тело фильтра) из шлака, гравия, керамзита, щебня, пластмасс, асбестоцемента, помещенной обычно в резервуаре с водопроницаемыми или водонепроницаемыми стенками;

б)водораспределительного устройства, обеспечивающего равномерное с небольшими интервалами орошение сточной водой поверхности загрузки биофильтра;

в) дренажного устройства для удаления отфильтровавшейся воды;

г)воздухораспределительного устройства, с помощью которого поступает необходимый для окислительного процесса воздух.

Биофильтры - резервуары, в которых размещена инертная пористая загрузка, через которую сверху вниз просачивается сточная вода. Поверхность загрузочного материала обрастает биопленкой. Исходная вода равномерно распределяется по поверхности загрузки, а очищенная собирается в поддоне под загрузкой и отводится во вторичный отстойник для отделения от постоянно смывающейся с загрузочного материала биопленки.

Для задержания избыточной биопленки после биофильтров устанавливаются вторичные отстойники, в основном вертикального типа. Избыточная пленка из вторичных отстойников должна регулярно удаляться на обработку или иловые площадки, в противном случае загнивающий осадок ухудшает качество очищенной воды. В зависимости от режима работы биофильтра (капельный или высоконагружаемый) образуется разное количество избыточной биопленки: для капельных биофильтров - 8 г/(чел.сутки), для высоконагружаемых - 28 г/(чел.сутки). Влажность осадка, выгружаемого из вторичного отстойника, около 96%.

Биофильтры представляют собой железобетонные или кирпичные резервуары, заполненные фильтрующим материалом, который укладывается на дырчатое днище и орошается сточными водами. Для загрузки биофильтров применяют шлак, щебень, пластмассу и др. Очистка сточных вод в биофильтрах происходит под воздействием микроорганизмов, заселяющих поверхность загрузки и образующих биологическую пленку. При контакте сточной жидкости с этой пленкой микроорганизмы извлекают из воды органические вещества, в результате чего сточная вода очищается.

Процессы окисления, происходящие в биофильтре, аналогичны процессам, происходящим в других сооружениях биологической очистки, и в первую очередь на полях орошения и полях фильтрации. Однако в биофильтре эти процессы протекают значительно интенсивнее.

Проходя через загрузку биофильтра, загрязненная вода оставляет в ней не растворенные примеси, не осевшие в первичных отстойниках, а также коллоидные и растворенные органические вещества, абсорбируемые биологической пленкой. Густо заселяющие биопленку микроорганизмы окисляют органические вещества и отсюда черпают энергию, необходимую для своей жизнедеятельности. Часть органических веществ микроорганизмы используют как пластический материал для увеличения своей массы. Таким образом, из сточной воды удаляются органические вещества и в то же время увеличивается масса активной биологической пленки в теле биофильтра. Отработанная и омертвевшая пленка смывается протекающей сточной водой и выносится из тела биофильтра. Необходимый для биохимического процесса кислород воздуха поступает в толщу загрузки путем естественной и искусственной вентиляции фильтра.

Классификация биофильтров.

Биофильтры классифицируются по различным признакам.

По степени очистки -на биофильтры, работающие на полную и неполную биологическую очистку. Высокопроизводительные биофильтры могут работать на полную или неполную очистку в зависимости от необходимой степени очистки. Малопроизводительные биофильтры работают только на полную очистку.

По способу подачи воздуха - на биофильтры с естественной и искусственной подачей воздуха. Во втором случае они часто носят название аэрофильтров. Наибольшее применение в настоящее время имеют биофильтры с искусственной подачей воздуха.

По режиму работы - на биофильтры, работающие с рециркуляцией и без нее. Если концентрация загрязнений в поступающих на биофильтр сточных водах невысока и они могут быть поданы на биофильтр в таком объеме, который достаточен для самопроизвольной его промывки, то рециркуляция стока не обязательна. При очистке концентрированных сточных вод рециркуляция желательна, а в некоторых случаях обязательна. Рециркуляция позволяет понизить концентрацию сточных вод до необходимой величины, так же как и предварительная их обработка в аэротенках - на неполную очистку.

По технологической схеме - на биофильтры одноступенчатые и двухступенчатые. Двухступенчатые биофильтры применяются при неблагоприятных климатических условиях, при отсутствии возможности увеличивать высоту биофильтров и при необходимости более высокой степени очистки.

Иногда предусматривается переключение фильтров, т. е. периодическая эксплуатация каждого из них в качестве фильтра первой и второй ступени.

По пропускной способности - на биофильтры малой пропускной способности (капельные) и большой пропускной способности (высоко-нагружаемые).

По конструктивным особенностям загрузочного материала - на биофильтры с объемной загрузкой и с плоскостной загрузкой.

Биофильтры с объемной загрузкой можно подразделить на: капельные биофильтры (малой пропускной способности), имеющие крупность фракций загрузочного материала 20-30 мм и высоту слоя загрузки 1-2 м;

высоко нагружаемые биофильтры, имеющие крупность загрузочного материала 40-60 мм и высоту слоя загрузки 2-4 м;биофильтры большой высоты (башенные), имеющие крупность загрузочного материала 60-80 мм и высоту слоя загрузки 8-16 м. Биофильтры с плоскостной загрузкой подразделяются на: биофильтры с жесткой загрузкой в виде колец, обрезков труб и других элементов. В качестве загрузки могут быть использованы керамические, пластмассовые и металлические засыпные элементы. В зависимости от материала загрузки плотность ее составляет 100-600 кг/м8, пористость 70-90%, высота слоя загрузки 1-6 м;биофильтры с жесткой загрузкой в виде решеток или блоков, собранных из чередующихся плоских и гофрированных листов. Блочные загрузки могут выполняться из различных видов пластмассы (поливинилхлорид, полиэтилен, полипропилен, полистирол и др.), а также из асбестоцементных листов. Плотность пластмассовой загрузки 40- 100 кг/м3, пористость 90-97%, высота слоя загрузки 2-16 м. Плотность асбестоцементной загрузки 200-250 кг/м3, пористость 80-90%, высота слоя загрузки 2-6 м;биофильтры с мягкой или рулонной загрузкой, выполненной из металлических сеток, пластмассовых пленок, синтетических тканей (нейлон, капрон), которые крепятся на каркасах или укладываются в виде рулонов. Плотность такой загрузки 5-60 кг/м3, пористость 94-99%, высота слоя загрузки 3-8 м.