Анаэробная биологическая очистка

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Реферат

Анаэробная биологическая очистка

Введение

очистка анаэробный сточный вода

Вода - ценнейший природный ресурс. Она играет исключительную роль в процессах обмена веществ, составляющих основу жизни. Огромное значение вода имеет в промышленном и сельскохозяйственном производстве. Общеизвестна необходимость ее для бытовых потребностей человека, всех растений и животных. Для многих живых существ она служит средой обитания.

Рост городов, бурное развитие промышленности, интенсификация сельского хозяйства, значительное расширение площадей орошаемых земель, улучшение культурно-бытовых условий и ряд других факторов все больше усложняет проблемы обеспечения водой.

Потребности в воде огромны и ежегодно возрастают. Ежегодный расход воды на земном шаре по всем видам водоснабжения составляет 3300-3500 км³. При этом 70% всего водопотребления используется в сельском хозяйстве.

Много воды потребляют химическая и целлюлозно-бумажная промышленность, черная и цветная металлургия. Развитие энергетики также приводит к резкому увеличению потребности в воде. Значительное кол-во воды расходуется для потребностей отрасли животноводства, а также на бытовые потребности населения. Большая часть воды после ее использования для хозяйственно-бытовых нужд возвращается в реки в виде сточных вод.

Дефицит пресной воды уже сейчас становится мировой проблемой. Все более возрастающие потребности промышленности и сельского хозяйства в воде заставляют все страны, ученых мира искать разнообразные средства для решения этой проблемы.

На современном этапе определяются такие направления рационального использования водных ресурсов: более полное использование и расширенное воспроизводство ресурсов пресных вод; разработка новых технологических процессов, позволяющих предотвратить загрязнение водоемов и свести к минимуму потребление свежей воды.

Еще в городах древнего Египта, Греции и Рима существовали канализационные системы, по которым отходы жизнедеятельности людей и животных транспортировались в водоемы - реки, озера и моря. В Древнем Риме перед сбросом в Тибр канализационные стоки накапливались и выдерживались в накопительном пруде-отстойнике - клоаке (cloaca maxima). В Средние века этот опыт был в значительной степени забыт, помои, экскременты людей и животных, выливались на городские улицы и удалялись эпизодически. Это являлось причиной загрязнения и заражения источников питьевой воды и приводило к возникновению эпидемий холеры, тифа, амебной дизентерии и др. В начале 19 века в Англии был изобретен туалет с водяным смывом. Возникла очевидная необходимость в обработке сточных вод и предотвращения их попадания в источники питьевой воды. Сточные воды собирали и выдерживали в больших емкостях, осадок использовали в качестве удобрений. В начале двадцатого века были разработаны интенсивные системы очистки бытовых сточных вод, включая поля орошения, где вода очищалась, фильтруясь через почву, струйные фильтры со щебневой и песчаной загрузкой, а также резервуары с принудительной аэрацией - аэротенки. Последние являются основным узлом современных станций аэробной очистки городских сточных вод. Первоначально основной целью очистки стоков являлось их обеззараживание. Понимание важности качественной очистки сточных вод для охраны природных водоемов пришло позже. Проблема чистой воды является одной из актуальнейших проблем наступившего века. Для сохранения мест забора питьевой воды чистыми необходима качественная очистка сточных вод, производство которых в России достигает 500 литров в сутки на душу городского населения. В настоящее время разработаны и развиваются современные технологии очистки сточных вод. Наибольший интерес и перспективу имеют естественные и самые дешевые биологические методы очистки, представляющие собой интенсификацию природных процессов разложения органических соединений микроорганизмами в аэробных или анаэробных условиях.

1. Схема очистного сооружения

Рис. 1. Схема переработки стоков в очистной станции

1. Стоки с содержанием органических и неорганических соединений, а также крупных частиц в виде камней, песка, некоторых синтетических материалов и веток попадают в 1-ю камеру (отстойник). Здесь выполняется механическая очистка под действием сил земного притяжения. Многие тяжелые составляющие оседают на дно камеры.

2. После этого стоки, прошедшие предварительную очистку, попадают во 2-ю камеру. Здесь они насыщаются кислородом, а крупные органические соединения дробятся на мелкие частицы. В некоторых установках в этой камере стоят стальные щётки и ёлочки, которые задерживают не разлагаемые компоненты в виде полиэтилена, синтетических волокон и других трудно поддающихся разложению материалов.

3. После этого насыщенные кислородом сточные воды перетекают в биореактор, где проходят процессы разложения органики.

4. В последней камере осуществляется финишная гравитационная очистка. Обычно на дне этого отсека используется известковая засыпка, которая связывает химически активные компоненты.

5. Иногда на выходе из очистной станции стоит дополнительное фильтрующее устройство, которое позволяет добиться высокой степени очищения (до 99%).

2. Анаэробная биологическая очистка сточных вод

Анаэробный метод очистки может рассматриваться в качестве одного из наиболее перспективных при наличии высокой концентрации в сточных водах органических веществ или для очистки бытовых стоков. Его преимущество перед аэробными методами заключается в резком снижении эксплуатационных расходов (для анаэробных микроорганизмов не требуется дополнительной аэрации воды) и отсутствии проблем, связанных с утилизацией избыточной биомассы.

Анаэробная деградация органических веществ, осуществляется как многоступенчатый процесс, в котором необходимо участие, по меньшей мере четырех групп микроорганизмов:

· гидролитиков,

· бродильщиков,

· ацетогенов

· метаногенов.

В анаэробном сообществе между микроорганизмами существуют тесные и сложные взаимосвязи, имеющие аналогии в многоклеточных организмах, поскольку ввиду субстратной специфичности метаногенов, их развитие невозможно без трофической связи с бактериями предыдущих стадий. В свою очередь метановые археи, используя вещества, продуцируемые первичными анаэробами, определяют скорость реакций, осуществляемых этими бактериями. Ключевую роль в анаэробной деградации органических веществ до метана играют метановые археи родов Methanosarcina, Methanosaeta (Methanothrix), Мethanomicrobium и другие. При их отсутствии или недостатке анаэробное разложение заканчивается на стадии кислотогенного и ацетогенного брожений, что приводит к накоплению летучих жирных кислот, в основном масляной, пропионовой и уксусной, снижению рН и остановке процесса.

Формирование агрегатов биомассы является результатом микробиологических, химических и физических процессов, происходящих на границе раздела жидкой и твердой фаз. Образование гранулированной биомассы в биореакторе является уникальным феноменом самоорганизации метаногенного микробного сообщества. И именно ацетатиспользующие метаногены обладают морфологическими особенностями, позволяющие им образовывать оформленные структуры с другими бактериями или смешанные колонии.

Точной морфологической классификации гранулированной метаногенной биомассы пока не существует. С учетом наличия промежуточных форм выделяют три основных типа гранул:

· тип А:

компактные сферические или дисковидные плотные гранулы, состоящие в основном из нитей метаносает. Обычно образуются при наличии субстрата с высоким содержанием ЛЖК, в том числе на преацидифицированных сточных водах при двухступенчатой анаэробной обработке.

· Тип В:

крупные и менее плотные сферические гранулы, содержащие различные типы микроорганизмов, основу составляют нити метаносаета, часто прикрепленные к инертным частицам. Образуются при обработке сточных вод молочной промышленности и сточных вод пивоваренного или безалкогольного производства;

· тип С: мелкие и рыхловатые округлые гранулы, основу которых составляют метаносарцины. Образуются в высоконагружаемых системах очистки сточных вод, в частности по ацетату, например навозные стоки или винные стоки при низких температурах.

На поверхности всех типов гранул наблюдаются поры различной величины, служащие для транспорта субстрата и выхода биогаза.

Одной из наиболее важных характеристик анаэробного ила, как было указанно выше, является метаногенная активность. Метаногенная активность зависит от состава сточных вод.

На процесс анаэробной очистки сточных вод влияют фазовый и химический состав субстрата, значение рН среды, наличие токсичных веществ, гидродинамический и температурный режимы.

Стабильность работы анаэробных реакторов сильно зависит от значения рН сточных вод и его постоянства, оптимальными являются рН 7.0-8.0. Для формирования гранул и развития гранулированного ила имеет значение гидродинамический режим в реакторе, который определяется скоростью протока очищаемых сточных вод.

Обработка избыточного анаэробного ила не представляет никаких проблем. Высокое исходное содержание сухого вещества (до 100 г./дм³), высокая зольность и стабильность, хорошие водоотдающие свойства и, как правило, его малые количества позволяют обезвоживать ил без применения реагентов с помощью центрифуг, ленточных фильтр-прессов и других стандартных устройств обработки сточных вод, либо на иловых площадках (при высоких нагрузках). Анаэробный ил, образующийся при очистке сточных вод пищевых производств, представляет собой высококачественное органоминеральное удобрение, которое можно использовать без особых ограничений. Сам по себе анаэробный ил не содержит патогенных микроорганизмов, а термофильный ил богат витамином В₁₂, поэтому его можно также использовать как пищевую добавку в корм крупного рогатого скота.

До недавнего времени целесообразным являлось использование метанового брожения только для обработки осадков сточных вод, так как длительность процесса (несколько суток) предполагала наличие значительных объемов реакторов. В 80-х годах 20 в. были проведены многочисленные исследования и показано, что при определенных условиях в биореакторах возможно формирование гранулированного ила, и процесс биодеструкции загрязнений сточных вод таким илом обеспечивается в течение нескольких часов (6-14), что позволяет использовать этот метод для очистки сточных вод. Тем не менее, вряд ли этот метод можно считать альтернативным аэробному процессу биодеградации органических веществ сточных вод, так как его целесообразно применять при исходной концентрации загрязняющих веществ свыше 2000 мгО₂/дм³ (по БПКп).

3. Виды систем анаэробной очистки

Кроме компактных очистных установок, используемых при создании автономных канализационных систем в частных домах, существуют промышленные комплексы анаэробной очистки. К таковым можно отнести:

1. промышленные биореакторы - герметичные резервуары, устанавливаемые на станциях биоочитстки, осуществляющих обслуживание предприятий или домохозяйств. Ввиду отсутствия необходимости строгого контроля условий среды, а также медленно растущей популяции микроорганизмов, промышленные установки данного типа отличаются экономичностью в плане ухода и обслуживания.

2. лагуны - отстойники, организуемые под открытым небом или в специальных помещениях. В регионах с теплым климатом такие комплексы служат не только в качестве очистных сооружений. Здесь также добывается биогаз, используемый в топливных системах предприятий. Чаще всего лагуны устраиваются рядом со свинофермами, в них сливается жидкий навоз и стоки с боен;

4. Анаэробная очистка сточных вод в биореакторах

Рис. 2. Схема технологического процесса очистки стоков

Более совершенными сооружениями для сбраживания осадков являются метантенки. Сокращение сроков сбраживания в них за счет искусственного подогрева приводит к значительному уменьшению объема сооружений. В настоящее время метантенки широко применяются в отечественной и зарубежной практике. Метантенк представляет собой цилиндрический железобетонный резервуар с коническим днищем и герметическим перекрытием, в верхней части которого имеется колпак для сбора газа, откуда газ отводится для дальнейшего использования.

Метантенк представляет собой вертикальный сварной аппарат с цилиндрической обечайкой, с коническим днищем. В верхней части аппарат имеет горловину, имеющую диметр меньше диаметра основного аппарата.

Метантенк оборудован пропеллерной мешалкой, установленной в цилиндрической трубе, и приводимой в действие электродвигателем; теплообменником в виде труб, соединенных коллекторами трубы для загрузки исходного навоза; патрубка для отвода биогаза; патрубка для слива и устройствами и для выгрузки отферментированной массы.

Устройство для выгрузки отферментированной массы представляет собой вертикальную трубу, проходящую внутри аппарата, снабженную сливным патрубком с запорным устройством.

Процессы анаэробной очистки протекают в герметичных метантенках или биореакторах, которые выполняются из бетона, металла или высокопрочного пластика. Причём для жизнедеятельности этих микроорганизмов не нужен кислород. Процессы очистки протекают без выброса энергии, поэтому повышение температуры в ёмкости отсутствует. Во время разложения органики численность колонии бактерий практически не изменяется. Поскольку в такой конструкции не нужна сложная система контроля условий среды, то анаэробная очистка - более дешёвый метод.

Главным недостатком анаэробного метода очистки является то, что в результате деятельности анаэробов выделяется горючий газ - метан.

По этой причине действуют определённые ограничения при применении анаэробной методики очистки:

§ Такие конструкции можно возводить только на ровной хорошо вентилируемой (продуваемой) поверхности.

§ По периметру конструкции обязательно устанавливаются газоанализаторы.

§ Анализаторы подключаются к системе оповещения о пожаре

5. Анаэробная очистка в лагунах

При благоприятных грунтовых условиях (пески, супеси, легкие суглинки) и низком уровне грунтовых вод, отсутствии или удаленности водоема - приемника сточных вод, обычно наиболее целесообразно использовать септики, вместе с сооружениями подземной фильтрации - фильтрующих колодцев, фильтрующих кассет, песчано-гравийных фильтров.

Существуют две стадии брожения сточной воды: кислое и щелочное. При первичном заполнении септика, когда отсутствует возможность заражения сточной воды илом, бродившим в течение длительного времени, происходит кислое брожение. При окислении стоков образуется много зловонных газов. Разложение органических загрязнений происходит очень медленно. Удаленный ил имеет желтовато-серый цвет и плохо сохнет на воздухе, испуская при этом резкий неприятный запах. При кислом брожении ил имеет тенденцию всплывать на поверхность вместе с пузырьками газа.

Спустя некоторое время происходят изменения, о которых можно судить по неприятному запаху. Газы, выделяющиеся при кислом брожении сточных вод, заполняют септик и вытесняют кислород. В результате кислородного голодания в септике начинают быстро развиваться анаэробные бактерии, свидетельствуя о наступлении второй стадии распада сточных вод. Она называется щелочным или метановым брожением, поскольку большую часть образующихся газообразных продуктов распада составляет метан.

К преимуществам щелочного брожения, помимо отсутствия зловонных газов, следует отнести ускоренное протекание процесса брожения и уменьшение объема ила. Извлеченный из септика ил имеет темную окраску, быстро сохнет, не испускает неприятного запаха. Следовательно, кислое брожение является предварительной стадией метанового брожения. Именно по этой причине в первой камере многокамерного септика всегда оставляют какую-то часть ила, тогда содержимое септика не закисает.

Если для активизации разложения органики на начальном этапе очистки сточных вод, применить специально выведенные в лабораториях штаммы анаэробных бактерий, то это позволит добиться практически полного распада органических загрязнений на газы, вещества, растворенные в воде, и нерастворимый осадок.

Септики (рис. 3) - подземные отстойники, состоящие из 1-3 камер, служат для очистки небольших количеств бытовых сточных вод. Задача септика состоит в том, чтобы отделить жидкость с растворимыми частицами от нерастворимых фракций (механический отстой) и разложить органические загрязнения с помощью анаэробных бактерий, всегда присутствующих в нечистотах (биологический процесс). Сточные воды, попадая в септик, отстаиваются, а выпавший осадок за 6-12 месяцев перегнивает.

Рис. 3. Септики

При прямолинейной прокладке канализационных труб диаметром не менее 110 мм септик располагают на расстоянии до 20 м от дома и не ближе 30 м от питьевого колодца и таким образом, чтобы к нему могла беспрепятственно подъехать ассенизаторская машина. Объем септика зависит от суточного водопотребления и приблизительно равен трехкратному суточному притоку использованной жидкости (табл. 4). Из-за того, что сточные воды находятся в колодце от 2 до 3 суток, взвешенные частицы оседают на дно и происходит осветление сточных вод. Если исходить из того, что водопотребление в индивидуальном доме составляет 250 л/сут на человека, то для семьи из 4 человек необходим септик минимальным объемом в 3,0 мі. Увеличение количества камер и общего объема септика позволяет задерживать в нем воду вместо минимальных 2-3 суток до 10 суток, что благоприятно сказывается на предварительной очистке воды.

Однокамерный септик применяют при объеме сточной жидкости до 1 мі/сут, двухкамерный - до 5-8 мі/сут. Однокамерный септик чаще всего применяется при раздельной канализации. Проектируя его таким образом, что в септик поступает лишь серые стоки, а для фекальных отходов предусматривают отдельный сток в выгребную яму. На внутреннюю поверхность септика воздействует агрессивная среда, поэтому материал стенок и дна должен быть плотным, стойким, долговечным. Септики традиционно выполнялись из бутового камня, красного пережженного кирпича, собирались из готовых железобетонных колец или стальных емкостей. Сегодня необходимость самостоятельно изготавливать септики отпала, современный строительный рынок предлагает готовые колодцы из пластмассы, которые нужно только зарыть в грунт и ввести в них трубопроводы. Материал готовых колодцев-септиков не пропускает воду, не гниет и стоек к химически активным сточным водам. Так как гниение органических веществ в сточных водах эффективно идет в диапазоне температур от 30 до 60°С перекрытие колодца засыпают землей, соломой, листвой, дерном или другими утепляющими материалами слоем толщиной приблизительно 0,5 м.

При устройстве колодцев-септиков из железобетонных колец, кирпича или бутового камня внутреннюю поверхность бутовой и кирпичной кладки штукатурят цементным раствором (на 1 объемную часть цемента берут 1 часть песка), тщательно затирают кельмой, проводят железнение или обрабатывают жидким стеклом. Толщина каменных и кирпичных стен септика-колодца должна быть не менее 25 см, из монолитного бетона - не менее 20 см. Толщина перегородок внутри септика делается не менее 12 см, дно выполняют бетонным или железобетонным. Стенки септиков снаружи покрывают битумной грунтовкой или мастикой, на которую наклеивают рубероид и прижимают его кирпичной стенкой толщиной в полкирпича. Под дном и вокруг стенок колодца устраивают глиняный замок. Перекрытия септика оборудуют канализационным люком по сборным железобетонным плитам или делают из деревянных просмоленных щитов.

В двухкамерных септиках объем первой камеры должен составлять 3/4 общего объема септика, а в трехкамерных половину. Отверстие для впуска жидкости располагают на 25 см выше расчетного уровня жидкости, чтобы при залповом сбросе жидкости, например, при опорожнении ванны, в трубе не образовался подпор. Трубы должны входить в септик через тройники-гидрозатворы. Нижний конец каждого тройника погружают в жидкость на 0,15-0,25 м (чтобы не было подсоса воздуха из канализационных труб), верхний - выступает из нее на 0,25 м. С их помощью в камере создается искусственный дефицит кислорода, так называемые анаэробные условия. Когда в септике в результате активности микроорганизмов - анаэробов создается избыточное давление метана, газ частично стравливается в атмосферу через верхний патрубок тройника и далее продвигается по канализационным трубам в вытяжную домовую трубу канализации. Конструкция тройника также устраняет попадание плавающих фекалий из септика в сток. Для перехода жидкости из 1-ой во 2-ю камеру в разделяющей перегородке на высоте, равной половине расчетной высоты жидкости, в септике предусматривают отверстие диаметром 15-20 см. Если высота перегородки совпадает с высотой колодца, то на стыке перегородки и перекрытия устраивают несколько отверстий диаметром не менее 20-30 см для выравнивания метанового давления. Выпускная труба из септика прокладывается от поверхности земли обычно не ниже 1,2 м. При вероятности замерзания эту трубу утепляют.

Форма многокамерных септиков может быть самой различной. Она почти не влияет на их производительность, однако при том же самом объеме периметр стен круглого септика (рис. 4) будет меньше, чем прямоугольного. Кроме этого, стены круглого септика лучше воспринимают давление грунта, которое возрастает с увеличением глубины заложения.

Рис. 4. Септики из железобетонных колец или пластмассовых емкостей.

Септик опорожняют 2 раза в год. Для этого раскапывают слой утепления, открывают крышку и выкачивают ил, который вперемешку с торфом, листвой и т.п. укладывают в компостную кучу на 1-2 года. Компостную кучу нужно располагать на цементном или пленочном основании, что исключит попадание сточной жидкости в грунтовые воды. Часть ила (слой приблизительно 10-15 см) оставляют в септике, что обеспечит сточные воды достаточным количеством гнилостных бактерий для продолжения анаэробного разложения органических веществ. Сточные воды на выходе из септика оказываются очищенными примерно на 65% и направляются на доочистку.

Доочистка, в отличие от первого анаэробного этапа, протекающего непременно в септике, может происходить в конструкциях другого типа, чаще всего, с помощью бактерий-аэробов. Эти конструкции различны по исполнению, но так или иначе, служат одной цели - созданию оптимальных условий аэробным бактериям для окончательной очистки сточных вод, вытекающих из септика, Чем длительнее контакт стоков с кислородом, тем лучше происходит окисление и разложение органического и аммиачного азота на нитриты и нитраты.

6. Использование продуктов анаэробной очистки

При очистке резервуаров, в которых осуществляется анаэробная деструкция биоматериалов, возникает необходимость удаления части активного ила. Опорожнение емкостей может осуществляться при помощи ассенизаторских машин или вручную. Ил не имеет каких-либо патогенных или токсичных свойств, абсолютно безвреден для человека и животных. При наличии специального оборудования, например, сушильных (мелкоячеистых) центрифуг, из его излишков можно изготавливать иловый концентрат для дальнейшей реализации. Кроме этого, анаэробный ил богат минеральными элементами и может использоваться в качестве удобрений или для подкормки животных.

Получаемый метан может быль использован для подогрева метантенка.

Заключение

Анаэробная очистка сточных вод имеет определенные преимущества и недостатки:

· в процессе не образуется много избыточного активного ила, следовательно, нет проблем с его утилизацией;

· 89% энергии процесса идет на выработку метана;

· такой способ очистки возможен только при небольших концентрациях субстрата;

· достаточно небольшая скорость прироста биомассы;

· более простое устройство оборудование по сравнению с аэробной очисткой.

Вышеуказанный метод применим, когда концентрация определенных загрязняющих веществ не превышает допустимый уровень. В большинстве случаев необходимо проводить три-четыре ступени предочистки сточных вод, чтобы добиться необходимого содержания определенных веществ. Кроме того, чтобы сбросить уже очищенные сточные воды в водоем после сооружений биологической очистки, часто необходима их доочистка (например, озонированием или УФ-облучением).

Список литературы

1. Гейвандов Э.А. «Экология: словарь-справочник для школьников и студентов: В 2-х т. Т.1. - М.: Культура и традиции, 2002. - 384 с.

2. Дж. Бейлли, Д. Оллис. Основы биохимической инженерии. М. Мир, 1989, 2 Т.

3. Роев Г.А. Очистные сооружения. Охрана окружающей среды, М., Недра, 1999

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

Размещено на Allbest.ru