Биокаталитические методы защиты окружающей среды: биофильтры

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Пензенский государственный технологический университет»

Кафедра «Биотехнология и техносферная безопасность»

Реферат по дисциплине: «Моделирование и оптимизация биотехнологических процессов»

На тему: «Биокаталитические методы защиты окружающей среды: биофильтры»

Выполнил: студент Иванов А.А.

Проверила: доцент каф. БТБ

к.т.н. Коростелева А.В.

Пенза, 2021

Содержание

Введение

1. Понятие о биофильтрации

2. Устройство биофильтров

3. Основные принципы биологической очистки воды

4. Классификация биофильтров

4.1 Капельные биофильтры

4.2 Высоконагружаемые биофильтры

4.3 Башенные биофильтры

4.4 Погружные биофильтры

5. Вентиляция биофильтров

Заключение

Библиографический список

Введение

Проблемы, связанные с окружающей средой и здоровьем, из-за обилия сточных вод, приводят к разработке новых и усовершенствованных систем их очистки.

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

Наиболее универсален для очистки сточных вод от органических загрязнений 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.

В процессах очистки сточных вод используют один из биокаталитических методов - метод биофильтрации.

1. Понятие о биофильтрации

Биофильтрация - это метод борьбы с загрязнением с использованием биореактора, содержащего живой материал, для улавливания и биологического разложения загрязнителей. Биофильтрация сточных вод - это особый процесс по сравнению с другими видами биологической очистки, поскольку микроорганизмы закреплены на опоре, и сточные воды проходят через нее для обработки.

Биофильтрация была впервые применена в Англии в 1893 году как капельный фильтр для очистки сточных вод и с тех пор успешно используется для очистки различных типов воды. Биологическая очистка использовалась в Европе для фильтрации поверхностных вод в питьевых целях с начала 1900-х годов и в настоящее время вызывает все больший интерес во всем мире.

В процессе очистки сточных вод распространена биофильтрация с использованием биологических фильтров (биофильтров).

Биофильтр - это слой среды, на котором микроорганизмы прикрепляются и растут, образуя биологический слой, называемый биопленкой. Биофильтрацию, обычно, называют процессом с фиксированной пленкой. Как правило, биопленка образована сообществом различных микроорганизмов (бактерий, грибов, дрожжей), макроорганизмов (простейшие, черви, личинки насекомых) и внеклеточных полимерных веществ. Внешний вид биопленки обычно слизистый и мутный. Обрабатываемая вода может подаваться периодически или непрерывно через среду восходящим или нисходящим потоком. Обычно биофильтр состоит из двух или трех фаз, в зависимости от стратегии кормления (перколяционный или погружной биофильтр): твердая фаза (носитель); жидкая фаза (вода); газовая фаза (воздух). Органические вещества и другие компоненты воды диффундируют в биопленку, где происходит обработка, в основном за счет биоразложения.

Процессы биофильтрации обычно носят аэробный характер, что означает, что микроорганизмы нуждаются в кислороде для своего метаболизма. Кислород может подаваться в биопленку одновременно или противотоком с потоком воды. Аэрация происходит пассивно за счет естественного потока воздуха через технологический процесс (трехфазный биофильтр) или за счет принудительной подачи воздуха вентиляторами. Активность микроорганизмов - ключевой фактор эффективности процесса. Основными влияющими факторами являются состав воды, гидравлическая нагрузка на биофильтр, тип среды, стратегия подачи (перколяционная или погруженная среда), возраст биопленки, температура, аэрация.

В большинстве биофильтров в качестве фильтрующих материалов используются такие среды, как песок, щебень, речной гравий или какой-либо пластик или керамический материал в форме маленьких шариков и колец.

Хотя биологические фильтры имеют простые поверхностные структуры, их внутренняя гидродинамика, а также биология и экология микроорганизмов сложны и изменчивы. Эти характеристики придают процессу надежность. Процесс имеет способность поддерживать свою производительность или быстро возвращаться к исходным уровням после периода отсутствия потока, интенсивного использования, токсичных шоков, обратной промывки среды (процессы высокоскоростной биофильтрации). Структура биопленки защищает микроорганизмы от сложных условий окружающей среды и сохраняет биомассу внутри процесса, даже если условия не оптимальны для ее роста.

Поскольку микроорганизмы удерживаются внутри биопленки, биофильтрация позволяет развиваться микроорганизмам с относительно низкими удельными темпами роста. Биофильтры меньше подвержены переменной или периодической нагрузке и гидравлическим ударам. Эксплуатационные расходы обычно ниже, чем при использовании активного ила. На результат окончательной обработки меньше влияет разделение биомассы, поскольку концентрация биомассы в сточных водах намного ниже, чем для процессов взвешенной биомассы. Присоединенная биомасса становится более специализированной (более высокая концентрация соответствующих организмов) в данной точке технологической цепочки, потому что нет возврата биомассы.

Вместе с тем, процесс биофильтрации имеет ряд недостатков, которые следует учитывать. Поскольку фильтрация и рост биомассы приводит к накоплению вещества в фильтрующих средах, этот тип процесса с фиксированной пленкой подвержен биоблокированию и формированию каналов. В зависимости от типа применения и среды, используемой для роста микробов, биоблокировку можно контролировать с помощью физических и химических методов. По возможности, можно проводить операции обратной промывки с использованием воздуха и воды, чтобы разрушить биомат и восстановить поток. Также можно использовать такие химические вещества, как окислители (перекись, озон) или биоцидные агенты.

2. Устройство биофильтров

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 другие материалы. 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.

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. биофильтр капельный сточный

Биофильтр состоит из следующих основных частей: а) фильтрующей загрузки (тело фильтра) из шлака, гравия, керамзита, щебня, пластмасс, асбестоцемента, на поверхности которой развивается биопленка; б) водораспределительного устройства, обеспечивающего равномерное орошение сточной водой поверхности загрузки биофильтра; в) дренажного устройства для удаления отфильтрованной воды; г) воздухораспределительного устройства, с помощью которого поступает необходимый для процесса окисления органических веществ воздух.

3. Основные принципы биологической очистки воды

Механизм фильтрации примесей биофильтром основан на последовательных процессах связывания (адсорбции) микроорганизмов биопленки с субстратом (органические загрязнители), формированием хлопьевидных флокул, диффузией субстрата и кислорода через клеточную мембрану, биологическим окислением субстрата, сопровождающимся приростом биомассы, выделением диоксида углерода и продуктов реакции.

По мере движения воды через неподвижный слой загрузочного материала насадки с биопленкой микроорганизмов ее состав изменяется во времени, что обусловлено поглощением разных субстратов различными микроорганизмами.

По мере изменения состава водной среды в биопленке поочередно развиваются определенные виды микроорганизмов, что приводит к изменению ее состава и замене одной доминирующей микробной популяции другой. Микроорганизмы биопленки потребляют из воздуха кислород, выделяя в воздух продукты реакции -- углекислый газ, сероводород, метан и аммиак.

Поэтому в порах биофильтра парциальное давление кислорода уменьшается, а давление углекислого газа возрастает. Условия равновесия внутри биофильтра и вне его создают диффузионные потоки кислорода внутрь биофильтра, а углекислого газа -- наружу. Наличие загрузки, покрытой биологической пленкой, препятствует диффузии. Возникновение и развитие анаэробных областей в толще биопленки микроорганизмов приводят к формированию пузырьков кислорода, которые вызывают частичное отделение пленки от носителя.

Образовавшиеся и унесенные из биофильтра потоком воды микроорганизмы (гумус) отделяют в отстойнике, установленном после биофильтра. В результате этого процесса регулируется толщина пленки микроорганизмов, среднее значение которой зависит от множества факторов. В правильно эксплуатируемом биофильтре толщина пленки микроорганизмов обычно составляет около 0,5-1 мм.

При достаточно большом сопротивлении может наступить момент, когда потребление кислорода биопленкой прекратится, так как его парциальное давление в воздушном пространстве поры достигнет минимальной величины.

В этом случае в теле биофильтров могут начаться процессы гниения органических веществ. Разница температур между сточными водами и воздухом гарантирует непрерывную вентиляцию атмосферного воздуха через загрузку биофильтра, обеспечивая постоянную концентрацию кислорода для жизнедеятельности микроорганизмов. Регулирование численности популяций микроорганизмов является важнейшим фактором при управлении работой биофильтра.

4. Классификация биофильтров

Принципы классификации биофильтров различаются по степени очистки, способу подачи воздуха, режиму работы (наличие или отсутствие рециркуляции), технологической схеме (одно-, двух или трехступенчатые) и другим параметрам.

По степени очистки биофильтры классифицируются на:

- высокопроизводительные;

- малопроизводительные.

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

По способу подачи воздуха:

- биофильтры с естественной подачей воздуха;

- биофильтры с искусственной подачей воздуха.

Наибольшее применение в настоящее время имеют биофильтры с искусственной подачей воздуха.

По режиму работы:

- биофильтры, работающие с рециркуляцией воды;

- биофильтры, работающие без рециркуляции воды.

В биофильтрах без рециркуляции концентрация загрязнений в поступающих на биофильтр сточных водах не высока и они подаются на биофильтр в объеме, достаточном для самопроизвольной промывки. В биофильтрах с рециркуляцией при очистке концентрированных сточных вод рециркуляция необходима. Она позволяет понизить концентрацию сточных вод до необходимой величины, так же как и предварительная их обработка в аэротенках -- на неполную очистку.

По технологической схеме:

- одноступенчатые;

- двухступенчатые.

Одноступенчатые биофильтры применяются в обычных условиях, а двухступенчатые биофильтры при неблагоприятных климатических условиях, при отсутствии возможности увеличивать высоту биофильтров и при необходимости более высокой степени очистки. Иногда предусматривается переключение фильтров, то есть периодическая эксплуатация каждого из них в качестве фильтра первой и второй ступени.

По пропускной способности:

- биофильтры малой пропускной способности (низконагружаемые, капельные);

- биофильтры большой пропускной способности (высоконагружаемые).

По конструктивным особенностям загрузки:

- биофильтры с объемной загрузкой;

- биофильтры с плоскостной загрузкой.

Биофильтры с объемной загрузкой подразделяются на три группы: а) низконагружаемые -- капельные с размером загрузочного материала 20-30 мм и высотой слоя загрузки 1-2 м; б) высоконагружаемые с размером загрузочного материала 40-60 мм и высотой слоя загрузки 2-4 м; в) башенные (большой высоты), имеющие крупность фракций загрузочного материала 60-80 мм и высоту слоя загрузки 8-16 м.

4.1 Капельные биофильтры

В капельном биофильтре сточная вода самотеком (или под напором) подается на поверхность биофильтра при помощи специальных распределительных устройств различного типа в виде капель или струй. Вода, отфильтрованная через загрузку биофильтра, попадает в дренажную систему и далее по сплошному непроницаемому днищу стекает к отводным лоткам, расположенным за пределами биофильтра.

Затем вода поступает во вторичные отстойники, в которых выносимая пленка отделяется от очищенной воды. Естественная вентиляция воздуха осуществляется через открытую поверхность биофильтра и дренаж. Такие биофильтры имеют низкую нагрузку по воде; обычно она варьирует от 0,5 до 1 м3 воды на 1 м3 фильтра. Капельные биофильтры рекомендуется применять при расходе сточных вод не более 1000 м3/сут.

Они предназначаются для частичной (БПК20 = 25-30 мг/л) и полной (БПК20 = 15-20 мг/л) биологической очистки сточной воды. При нагрузке по загрязнениям больше допустимой поверхность капельных биофильтров быстро заиливается, и работа их резко ухудшается. Скорость потока сточных вод на биофильтр не должна быть слишком высокой, чтобы слой насадки не оказался под водой.

Для обеспечения необходимой скорости поступления кислорода, поступающие в систему сточные воды должны обтекать покрытую микроорганизмами насадку достаточно тонким слоем, не препятствующему дыханию аэробных микроорганизмов, находящихся на поверхности биопленки. Фильтрующий слой в капельных биофильтрах может быть выполнен из щебня или гравия (размер 25-60 мм) или отдельных конструкций, состоящих из пространственных пластмассовых элементов.

Подобные фильтры не требуют принудительной аэрации; поступление воздуха происходит через отверстия поддерживающей загрузку решетки, расположенной на дне фильтра. Данные биофильтры могут быть использованы как для очистки воды от органических загрязнений, так и для реализации процесса нитрификации -- процесса окисления кислородом воздуха аммонийного азота до нитритов и нитратов за счет нитрифицирующих микроорганизмов; в последнем случае часто требуется установка биофильтра первой и второй ступеней.

Рекомендуется также использовать такие биофильтры для предварительной очистки высококонцентрированных сточных вод. Капельные биофильтры обеспечивают снижение БПК сточных вод до 80 %.

Недостатки капельного биофильтра, которые могут проявляться в период эксплуатации: возможность заиления загрузки; чувствительность к колебаниям температуры; невозможность достижения низких значений БПК в очищенной сточной воде даже в случае низкой нагрузки по органическим загрязнениям; сравнительно высокие капитальные затраты.

4.2 Высоконагружаемые биофильтры

Высоконагружаемые биофильтры отличаются от капельных большей окислительной мощностью, обусловленной лучшим обменом воздуха и незаиляемостью загрузки, что достигается применением загрузочного материала крупностью 40-70 мм, увеличением рабочей высоты загрузки до 2-4 м.

Высоконагружаемые фильтры применяются при расходах сточных вод 30-60 тыс. м3/сут.; при обосновании применение высоконагружаемых биофильтров допускается на водоочистных сооружениях большей пропускной способности. Эти биофильтры находят применение в качестве биологических окислителей в комплексе сооружений, предназначенных для очистки бытовых и производственных сточных вод.

Высоконагружаемые фильтры могут быть с естественной и искусственной аэрацией, последние обозначаются аэрофильтрами, в которых активный ил находится во взвешенном состоянии. Их конструктивными отличиями являются большая высота слоя загрузки, большая крупность ее зерен и особая конструкция днища и дренажа, обеспечивающая возможность искусственной продувки материала загрузки воздухом.

Междудонное пространство, в которое подается вентиляторами воздух, должно быть закрытым. На отводных трубопроводах предусмотрены гидравлические затворы глубиной 200 мм. Особенностями эксплуатационного характера являются необходимость орошения всей поверхности биофильтра с возможно малыми перерывами в подаче воды и поддержание повышенной нагрузки по воде на 1 м2 площади фильтра. Материалом загрузки высоконагружаемых биофильтров является антрацит, сланец, пемза, гравий, щебень со средним диаметром частиц 40-60 мм.

Направление потока обрабатываемой сточной воды может быть как нисходящим, так и восходящим.

Высоконагружаемые биофильтры могут обеспечить любую заданную степень очистки сточных вод, поэтому применяются как для частичной, так и для полной их очистки. Согласно данным исследований [10], в одинаковых условиях (одинаковая высота и крупность загрузки, характер загрязнений, степень очистки сточных вод и т.д.) высоконагружаемые биофильтры по сравнению с капельными имеют большую пропускную способность по объему пропускаемой через них воды, а не по количеству переработанных органических загрязнений.

4.3 Башенные биофильтры

Эти биофильтры имеют высоту 8-16 м и применяются для станций водоподготовки пропускной способностью до 50 тыс. м3/ сут. при благоприятном рельефе местности и при БПК20 очищенной воды 20- 25 мг/л. В отечественной практике широкого распространения не получили.

4.4 Погружные биофильтры.

Биофильтры этого типа были впервые сконструированы в России в 1917 году. В бассейне с очищаемой водой периодически погружался и поднимался для воздействия кислорода воздуха железный каркас с расположенными на нем металлическими решетками, на которые помещались пластины из пробки, ваты или кусков ткани. Этот принцип работы биофильтров нашел техническое применение лишь в 1970-х годах.

Такие конструкции биофильтров получили название погружных и применяются при малых расходах сточных вод (до 500 м3/сут.). В конструкциях погружных биофильтров вдоль резервуара, несколько выше уровня поступающей обрабатываемой сточной воды, установлен вращающийся вал барабана, на котором установлены либо засыпные пластмассовые элементы, либо фигурные блочные секции, либо гофрированный или пленочный материал, на поверхности которого развивается биопленка.

Типовые параметры погружного биофильтра: барабан, длиной 2-3 м и диаметром 2-2,5 м, расстояние между засыпными элементами -- 10-20 мм, частота вращения барабана -- 1-20 мин-1. Для обеспечения механической прочности внутри вала установлены ребра жесткости и поперечные перегородки, которые делят барабан на 6-8 секторов.

5. Вентиляция биофильтров

Естественная вентиляция в биофильтрах происходит вследствие разницы температур наружного воздуха и тела биофильтра. Основная масса воздуха поступает в тело биофильтра через междудонное пространство и сверху вместе с водой по мере ее движения в фильтре. Если температура сточных вод выше температуры воздуха, то устанавливается восходящий (от дренажа к поверхности) поток воздуха, при обратном соотношении -- нисходящий; при равенстве температур вентиляция может прекратиться.

Интенсивность вентиляции биофильтров также зависит от высоты слоя фильтрующей загрузки, размеров ее зерен и высоты междудонного пространства. Чем мельче загрузка, тем хуже условия вентиляции. Объем кислорода воздуха, используемого в биофильтрах, как и в других сооружениях биологической очистки, не превышает 7-8 %. Температура внутри биофильтра не должна быть ниже +6 °C, иначе окислительный процесс практически прекращается.

В установках большой и средней пропускной способности необходимая температура поддерживается вследствие постоянного притока сточных вод, температура которых почти всегда выше 8 °C. Поэтому такие фильтры обычно не требуют утепления. Небольшие фильтры, как уже отмечалось, приходится размещать в утепленных помещениях во избежание их переохлаждения, особенно в ночное время, когда приток сточной воды уменьшается.

Заключение

Цель работы - изучить принцип работы биофильтра при очистке сточных вод - достигнута. Рассмотрены устройство биофильтра и конструкции различных видов биофильтров. Изучена технология очистки сточных вод с помощью биофильтра.

В заключение следует сказать, что, биологический фильтр является эффективным устройством водоочистки сточных вод. Он отличается относительной простотой конструкции, эффективностью изъятия органических и неорганических загрязнений из обрабатываемой воды, возможностью расчета и проектирования. Предпочтение эксплуатации той или иной конструкции биофильтра определяется после тщательного изучения химического состава и характеристик сточных вод, наличия в них тех или иных органических и неорганических загрязнений, стоимости оборудования и требований к качеству и составу очищенной воды. Значительный интерес к применению биофильтров обусловливает поиск новых и модификацию существующих конструкций биологических фильтров.

Библиографический список

1. Волова, Т.Г. Экологическая биотехнология: уч. пособие для университетов / Т.Г. Волова. - Новосибирск: Хронограф, 2007.

2. Экология микроорганизмов: Учеб. для студ. вузов / А.И. Нетрусов, Е.А. БончОсмоловская, В.М. Горленко и др. / Под ред. А.И. Нетрусова. - М.: Издательский центр «Академия», 2004.

3. Роев Г.А. Очистные сооружения. Охрана окружающей среды - М.: Недра, 1993.

4. Захаров С.Л. Очистка сточных вод нефтебаз / Экология и промышленность России. - 2002.

5. Хенце М. Очистка сточных вод / М. Хенце, П. Армоэс, Й. Ля-Кур-Янсен и др.; пер. с англ. - М.: Мир, 2004.

6. Яковлев С.В. Биологические фильтры / С.В. Яковлев, Ю.В. Воронов. - 2-е изд. - М.: Стройиздат, 1982.

7. Гудков А.Г. Биологическая очистка городских сточных вод / А.Г. Гудков. - Вологда: ВоГТУ, 2002.

8. Яковлев С.В. Водоотведение и очистка сточных вод / С.В. Яковлев, Ю.В. Воронов. - М.: АСВ, 2002.

9. Кузнецов А.Е. Прикладная экобиотехнология. В 2-х т. / А.Е. Кузнецов, Я.Б. Градова, С.В. Лушников и др. - М.: БИНОМ, Лаборатория знаний, 2010.

Размещено на Allbest.ru