Экологические последствия складирования осадков сточных вод

Размещено на http://www.allbest.ru/

Экологические последствия складирования осадков сточных вод

Актуальность - осадки сточных вод являются неизбежными и нежелательным отходом систем биологической очистки промышленных и хозяйственно-бытовых сточных вод. Стабилизировать ситуацию в экологии можно только внедрением новых технологий очистки сточных вод, обеспечивающих снижение энергозатрат и резкое уменьшение отчуждаемых площадей, занимаемых земельными участками, выведенными из землепользования под захоронение избыточного активного ила. А также снижение выбросов в атмосферу парниковых газов.

Биологическая очистка осуществляется в условиях, близких к естественным условиям (поля фильтрации (орошения), биологические пруды) с помощью всей совокупности биотических объектов (микроорганизмов, гидрофильных растений и гидробионтов). Биологическая очистка сточных вод полагается на жизнедеятельности микроорганизмов, удаляющих вредоносные примеси. Потребляя и перерабатывая отходы промышленных и хозяйственно-бытовых сточных вод микроорганизмы образуют безвредные минеральные соединения. Используются различные типы биологических устройств: биофильтры, биологические пруды и аэротенки.

Активный ил -- взвешенная в воде активная биомасса, осуществляющая процесс очистки сточных вод в аэробных биоокислителях (аэротенки, окситенки и т.д.). Активный ил -- сложное сообщество микроорганизмов разл. систематич. групп и нек-рых многоклеточньгх животных. Активный ил биоокислителей формируется под влиянием хим. состава обрабатываемой сточной воды, растворенного в ней кислорода, темп-ры, рН и окислительно-восстановит. потенциала. По внешнему виду активный ил представляет собой хлопья светло-серого, желтоватого или темно-коричневого цвета, густо заселенные микроорганизмами, заключенными в слизистую массу, обладающую землянистым запахом. С биологической точки зрения, активный ил представляет скопление бактерий, образовавших колонии -- зооглеи. Бактериальный состав микрофлоры прежде всего зависит от состава поступающих стоков, от питательной среды, находящейся в стоках.

Микрофлору биологических очистных систем составляют микроорганизмы, являющиеся биохимическим агентом, которые образуют сложные сообщества активного ила и биопленки. Такие сообщества микроорганизмов (называемые также смешанной культурой, смешанным биоценозом) состоят из представителей многих систематических групп -- бактерий, актиномицетов, грибов, водорослей, членистоногих. Основу биомассы таких сообществ составляют бактерии. Общая поверхность 1 грамма сухой биомассы этих микроорганизмов оценивается площадью около 100 м², что и обусловливает высокую скорость обменных процессов при очистке сточных вод. Биопленка, покрывающая твердые поверхности, погруженные в объем жидкости аэробных биохимических реакторов, образована иммобилизованными клетками микроорганизмов, ее толщина обычно не более 3 мм, чаще 0,5 - 1,0 мм..Бактериальный состав активного ила сточных вод в значительной мере зависит от состава очищаемой сточной воды. В таблице 2.1 приведены данные о содержании бактерий некоторых родов в активных илах очистных систем различных производств.

Таблица 2.1. Количество бактерий в сточных водах различных производств, %

очистка ил биологический сточный вода

Наиболее многочисленным родом в микрофлоре является Pseudomonas - грамотрицательные палочковидные бактерии. Распространенность представителей этого рода бактерий обусловлена широким спектром компонентов загрязнений, которые могут служить для них субстратом.

У бактерий рода Pseudomonas имеется около 150 ферментных систем, способных превращать вещества сточной воды в биомассу и обеспечивать клетку энергией. К порядку Pseudomonas относится 50 - 80 % биомассы бактерий илов аэробных систем очистки производственных сточных вод. В этот порядок входят бактерии, окисляющие нитриты (Nitrosomonas), соединения серы (Sulfomonas, Thiobacillus).

В производственных стоках встречаются многие виды Bacterium. К ним относится аммонификаторы В. Micoides, разлагающие органические аминосодержащие соединения (белки, мочевину, аминокислоты) с образованием иона NH₄⁺ или свободного аммиака.

Бактериальный состав активных илов стабилен в течение длительного периода эксплуатации. Доминирующими родами являются Pseudomonas и Alcaligenes (5-39 и 36-84% соответственно), в то время как Bacillus, Zoogloea и факультативные анаэробы являются индикаторами нарушения процесса очистки. При перегрузке очистной системы резко возрастает содержание Zoogloea -- до 45 %.

Прослеживается также изменение количества простейших от нагрузки на активный ил. В активном иле имеются так называемые индикаторные организмы, по состоянию которых судят о нормальном протекании процессов очистки. К ним относятся инфузории - Ciliata, Paramecium, Lacrimaria, Stentor, Stilonichia, Euplofes patella, Aspidisca costata, Opercularia, Vorticella. Установлено, что в нормально развитом биоценозе на 10¹⁶клеток бактерий приходится 10-16 клеток простейших, в илах худшего качества -- 5-9 клеток, а в илах ненормально работающих очистных систем -- 1-4 клетки. Из других организмов в илах встречаются коловратки (Rotatoria), являющиеся индикатором нормального насыщения жидкости кислородом.

В системах с изменяющейся нагрузкой на активный ил по ходу движения жидкости (аэротенки-вытеснители, биофильтры) изменяется состав микрофлоры. На начальной стадии процесса очистки, когда на единицу биомассы приходится большая часть субстрата, в биоценозе преимущественно развиваются гетеротрофные бактерии и простейшие, питающиеся растворенными компонентами сточной воды. Далее со снижением загрязненности воды уменьшается количество бактерий, появляется больше свободноплавающих простейших, питающихся бактериями. В конце процесса очистки развивается большое количество хищных простейших, появляются низшие беспозвоночные.

В биопленке, покрывающей поверхности носителя в реакторах с иммобилизованной микрофлорой, помимо бактерий наблюдается большое количество простейших, коловраток, червей. Биоценоз ила аэротенков и биопленка идентичны при очистке одной и той же воды, однако количество различных видов организмов разное. Показателем хорошего состояния биопленки является наличие инфузорий кругловых, брюхореспичных, жгутиковых, червей Nematoda, коловраток.

На стадии окончания биологической очистки воды протекают процессы нитрификация с образованием нитритов и жиратов. В этом процессе в качестве биологических агентов выступают бактерии из родов, Nitrosomonas и Nitrobacter. Наиболее изученным микроорганизмом, осушествляющим окисление аммонийного азота до нитритов -- нитрификацию первой фазы, является Nitrosomonas europaea. Основной биологический агент фазы нитрификации -- окисления нитритов в нитраты -- Nitrobacter Vinogradskyi.

Активные илы очистных систем преимущественно состоят из биомассы смешанного сообщества микроорганизмов, растущего т сложном субстрате (сточной воде)..Многочисленными исследованиями установлено, что биомасса аэробного активного ила имеет следующий элементный состав: С₅Н₇О₂N, а с учетом фосфора С₅Н₇О₂NP_0,06. Для расчетов, связанных с определением прироста биомассы, баланса элементов, в процессе очистки достаточно точной формулой клеточного вещества является С₅Н₇О₂N. Эта формула отражает состав как аэробного, так и анаэробного активного ила. Типичный состав сухого вещества микробной клетки характеризуется следующими значениями %: углерод - 50; азот - 7-12; фосфор 1-3; сера 0,5-1,0; магний - 0,5.

Наиболее постоянными и трудно устраняемыми экотоксикантами являются ионы тяжелых металлов. На первом этапе исследования был проведен полуколичественный эмиссионный спектральный анализ ила (табл. 2), который показал общую картину загрязнения его тяжелыми металлами. В настоящее время принято оценивать содержание токсичных веществ в сравнении с их предельно допустимыми концентрациями (ПДК) Но они установлены для ограниченного количества наиболее распространенных элементов 24-34 (см табл. 2.)

Поэтому для сравнительной оценки полученных данных использовали не только значения ПДК почве [3], но и числовые оценки среднего содержания элементов в земной коре (кларки элементов) [4], содержание элементов в почвах мира [5] и РБ [6], а также норматив для ила, используемого в качестве органоминерального удобрения [1]. Установлено, что в иле отсутствуют ниобий, тантал, платина, палладий, гафний, рений, церий, индий, германий, таллий, вольфрам, бериллий, сурьма, иттрий. Серебро, молибден, олово, висмут, цирконий, барий, титан содержатся на уровне фона почвы [5].

Содержания элементов 1-23 в иле не превышают содержания в почвах мира. Следовательно, количественный анализ следует делать только для элементов 24-38. Количественными методами необходимо также установить содержание нитрат-, фосфат-, сульфат-, фторид,-, хлорид-, аммоний-ионов. Это позволяет учесть их влияние на токсичность ила и оценить солевую форму металлов. Из полученных данных по количественному составу неорганических токсикантов (табл. 3) видно, что тяжелые металлы как в валовой, так и в подвижной формах, находятся в иле в количестве, значительно меньшем нормативных требований Госсанэпиднадзора России к осадкам сточных вод, используемых как удобрение (см. табл. 2, столбец 8). В иле также содержатся высокие концентрации фосфат и сульфат ионов. Как известно, соли данных анионов и тяжелых металлов малорастворимые. Следовательно, большая часть тяжелых металлов при нейтральной реакции ила находится в связанной, нетоксичной форме.

Переработка отходов после очистки воды

Традиционные физико-химические методы переработки сточных или канализационных вод приводит к образованию значительного количества твёрдых отходов, то есть необходимо их утилизировать. Выбор процесса в любой технологической цепочке утилизации ила определяется способом его ликвидации, наиболее подходящим для конкретного вида ила и места его переработки.

Переработка ила и использование

Аэробная переработка отходов. Аэробная переработка стоков - это самая обширная область контролируемого использования микроорганизмов в биотехнологии. Она включает следующие стадии:1) адсорбция субстрата на клеточной поверхности:2) расщепление адсорбированного субстрата внеклеточными ферментами;3) поглощение растворенных веществ клетками;4) рост и эндогенное дыхание;5) высвобождение экскретируемых продуктов;6) "выедание" первичной популяции организмов вторичными потребителями.

Анаэробная ферментация отходов или растительных культур, специально выращиваемых для получения энергии, очень перспективна для экономичного получения газообразного топлива при умеренных температурах (30 - 35°С). Эта новая отрасль биотехнологии была развита микробиологами в сотрудничестве с инженерами-химиками и механиками, работниками сельского хозяйства и экономистами.

При выращивании сообщества различных бактерий на смеси органических соединений происходят сложные биохимические реакции. Метанобразующие бактерии способны к синтезу энергоносителя непосредственно из водорода и углекислого газа. Микроорганизмы, расщепляющие целлюлозу, синтезируют жирные кислоты, которые могут подвергаться восстановительному расщеплению до метана и углекислого газа; некоторые бактерии способны даже образовывать молекулярный водород. Описано сложное, взаимозависимое микробное сообщество, в котором можно выделить три группы бактерий: бактерии, осуществляющие гидролиз и брожение; бактерии, образующие водород и уксусную кислоту; а также водородотрофные, метанобразующие бактерии. Оценить возможность использования данного процесса при переработке смешанных отходов, а также охарактеризовать потребности в питательных веществах и усовершенствовать начальный этап процесса за счет уменьшения количества необходимого микробного посевного материала поможет дальнейшее изучение физиологии и экологии участвующих в процессе микроорганизмов.

Для получения энергии и полезных побочных продуктов можно использовать самые разнообразные отходы и сырье.

6)1.Захоронение в почве. В странах ЕЭС ежегодно производится около 6 Мт ила, причём до 30% применяется в качестве удобрения в сельском хозяйстве. Такое использование ила весьма выгодно как с точки зрения роста урожайности, так и в плане улучшения почвы. Сброженный ил, обычно в виде пульпы, содержит азота 5,1; фосфора 1,6 и калия 0,4%. Доступность этого азота для сельскохозяйственных культур составляет 50-85%, а фосфора 20-100%. Таким образом, жидкий сброженный ил по содержанию этих элементов не уступает навозу.

Этот способ ликвидации осложняется двумя обстоятельствами: присутствием в иле патогенных организмов и токсичных элементов. Распространение патогенных организмов может быть пресечено рядом мер по дезинфекции ила перед его внесением в почву.

Принято считать, что основной повод для беспокойства дают два патогенных организма: Salmonella spp. и бычий цепень. Однако в иле могут присутствовать и другие патогенные виды, в частности паразитические, например Brucella abortus и Ascaris suum. Борьба с болезнями основывается на стабилизации ила. Основными стабилизирующими ил процессами являются сбраживание, складывание в кучи или обработка известью. В качестве альтернативы возможно захоронение ила ниже уровня почвы.

Исследован новый способ обработки избыточного активного ила, включающий центрифугирование суспензии активного ила, отбираемой из вторичных отстойников. Способ обработки активного ила включает регентную обработку коагулянтом на основе 3-валентного железа и щёлочью с последующим разделением на твёрдую и жидкую фазы. В качестве коагулянта используют продукт окисления железного купороса азотной кислоты. [1]. Исследованы варианты обработки и удаления активного ила от очистки сточных вод производства фенолформальдегидных смол. Центрифугирование не дал положительных результатов [2].

Наиболее эффективным способом обезвоживания отходов, образующихся при очистке сточных вод, является термическая сушка. Перспективные технологические способы обезвоживания осадков и избыточного активного ила, включающие использование барабанных вакуум-фильтров, центрифуг, с последующей термической сушкой и одновременной грануляцией позволяют получать продукт в виде гранул, что обеспечивает получение незагнивающего и удобного для транспортировки, хранения и внесения в почву органоминерального удобрения, содержащего азот, фосфор, микроэлементы.

Извлечение ионов тяжелых металлов и других вредных примесей из сточных вод гарантирует, например, получение безвредной биомассы избыточного активного ила, которую можно использовать в качестве кормовой добавки или удобрения. В работе представлены результаты исследований по влиянию времени пребывания активного ила в безкислородных условиях на его биохимическую активность, выраженную в виде экзиматической активности, скорости потребления кислорода, а также динамики биодеструкции органических субстратов [4].

Работа проводилась с целью отработки и оценки новой методики для определения активности ила, которая рассчитывается по скорости окисления глюкозы в стандартном растворе - А (мг/л*ч, мг/г ила*ч). Концентрация глюкозы измерялась автоматически с помощью ионоселективного электрода одновременно в исследуемом растворе фиксировалась концентрация растворённого кислорода, при изменении которой вводилась соответствующая поправка. Точность измерения достигла 10% в диапазоне изменения А 0-200 кг [5].

Избыток активного ила можно также перерабатывать анаэробным путем. Переработанный активный ил может служить и как удобрения, и как корм для рыб, скота. Из активного ила очистных сооружений производства окситетрациклина были выделены селективные культуры бактерий и дрожжей, обеспечивающие интенсивную деструкцию данного антибиотика в аэробных условиях. Активный ил, обогащённый данными культурами, обеспечивал эффективную очистку сточных вод при содержании окситетрациклина до 1.4 г/л. Периодические добавки к активному илу селективных культур, бактерий и дрожжей обеспечивали стабильность процесса биологической очистки сточных вод. Указанный метод может быть использован для совершенствования технологической очистки сточных вод химических и биотехнологических производств [6].

Активный ил на очистной станции был исследован с точки зрения активности ферментов амилазы, пртеиназы, липазы и фосфазы. Для выделения и очистки фермента была принята следующая методика: активный ил подвергался гомогенизации, а затем фракционировался сульфатом аммония, диализовался до ацетата кальция и снова фракционировался ацетатом. На конечном этапе очистки была применена техника колоночной хроматографии с использованием молекулярных сит. В результате хроматографического разделения были получены два отдельных пика активности, соответствующие амилазе, действующей в кислой среде (рН=5.0) и в нейтральной среде (рН=7.2) [7].

Проведён микробиологический анализ активного ила сточных вод Лисичанского нефтеперерабатывающего завода. Показано усиление развития микрофлоры активного ила при иммобилизации последнего на различных носителях. Максимальной сорбирующей способностью обладали капроновые «ерши». Иммобилизация активного ила является одним из путей интенсификации очистки сточных вод от нефтепродуктов. При содержании в сточной воде от 21 до 907 мг/л. нефтепродуктов степень очистки иммобилизованным активным илом составляла от 88.1 до 99.0% [8].

Складирование влажного активного ила, избыток которого образуется при биологической очистке сточных вод, является опасным для окружающей среды. Предлагаемая для обработки активного ила установка в качестве первой ступени используют термическое обезвоживание материала во взвешанном слое при температуре 110? до остаточной влажности 5% на второй ступени обработки сухая масса нагревается без доступа воздуха до 350?. При этом образуются газ конверсии, масла конверсии, углеродосодержащий остаток и вода. Все горючие продукты конверсии утилизируются, в том числе масло - как дизельное топливо [9].

Заключение переработка избыточного активного ила с последующей его утилизацией.

В основу технологии переработки активного ила заложены процессы деструкции и наносорбции биомассы, составляющей основу активного ила. Установка, реализующая данную технологию, представляет собой современное практическое решение, соответствующее всем требованиям принятых международных нормативов.

Известны способы переработки избыточного активного ила путем уплотнения или сгущения, в том числе отстаиванием, центрифугированием, фильтрованием, обезвоживанием с последующим направлением на иловые площадки или в шламонакопители. Обезвоживание ила протекает очень медленно, что обусловливает большие площади иловых площадок и шламонакопителей. Необходима стабилизация осадков путем кислотного или щелочного анаэробного сбраживания для предотвращения загнивания и появления неприятных запахов. При высоком содержании в активном иле тяжелых металлов его подвергают сжиганию в камерных, многоподовых или других печах.

Рис. Bacillus бактерии Corynebacterium бактерии

Рис. Инфузории Pseudomonas бактерии

Рис. Схема попадании биогенных элементов

Размещено на Allbest.ru