Сточные воды и их очистка

3. 3. Методы биологической  очистки сточных вод

Биологическая очистка основана на способности микроорганизмов  использовать в качестве источника питания загрязнения сточных вод.  Особая роль бактерий обусловлена тем,  что в состав  их клеток входят те же биогенные элементы и микроэлементы, что и в состав клеток высших растений и животных, а также загрязнителей водоемов. То есть, с одной стороны, бактериальная масса - это пища водных животных, а с другой стороны, - они сами питаются, разлагая загрязнители.

В отличие от процессов  очистки сточных вод методами адсорбции и ионного обмена биохимический способ является деструктивным,  так как приводит к полному или частичному разрушению загрязнителей, изменению их состояния в водных растворах.

Большой спектр биохимической  активности бактерий позволяет им использовать в качестве источников энергии такие  вещества и окислительно-восстановительные процессы, которые не могут быть использованы другими организмами.

Бактерии могут окислять клетчатку, гуминовые вещества, углеводороды. Некоторые из них получают энергию, окисляя восстановленные минеральные  соединения.  На  биоматериале  могут также сорбироваться ионы тяжелых металлов и некоторые токсичные соединения, например бенз(а)пирен. Энергия, которая выделяется при окислении, используется для биосинтеза вещества клеток бактерий с большой эффективностью.  То  есть,  бактериальная деструкция  сопровождается продуцированием биомассы.

Конечно,  бактерии окисляют  органические вещества не полностью  до С, О и различных солей. Только часть их переходит в белковые комплексы, но они уже служат пищей для животного мира водоема, продолжая его минерализацию. Такие биологические процессы в естественных условиях являются самыми крупными в жизни водоемов, на них расходуется до 50-70 %  всей  энергии в водных экосистемах (Хенце..., 2004).

Все биологические методы подразделяются на две группы, в  которых бактериальная масса  работает в аэробных или анаэробных условиях.  В первом случае используют аэробные микроорганизмы, жизнь которых  требует присутствия в воде свободного кислорода. В анаэробных условиях разрушение примесей происходит анаэробными организмами  без доступа кислорода.  Этот  метод  применяется реже, как предварительная  стадия перед аэробным окислением или  для сбраживания осадков и  денитрификации сточных вод. Обе  группы методов осуществляются или  в термофильном (при температуре 30-40 °С), или в мезофильном режиме (при температуре 20-30 °С).

Также методы биологической  очистки подразделяют на очистку  в естественных (например,  биологические  пруды)  или  искусственных условиях (например, аэротенки, биофильтры и т. д.).

Аэробная биологическая  очистка. Основными аппаратами-сооружениями аэробной очистки являются аэротенки, окситенки, биологические пруды и биофильтры. До недавнего времени использовались также земледельческие поля орошения и фильтрации.Аэротенки применяют для полной и неполной  биологической очистки сточных вод. Они представляют из себя достаточно объемные резервуары, с постепенно протекающей водой, в толще которой развиваются микроорганизмы, потребляющие субстрат. (Василенко, Никифоров…, 2009).

 Анаэробная биологическая очистка.  Анаэробная очистка - это анаэробный (в отсутствии кислорода) двухстадийный процесс биохимического превращения органических загрязнений сточных вод в метан и диоксид углерода. Вначале под действием бактерий органические вещества сбраживаются до простых органических кислот, а на второй стадии эти кислоты уже служат источником питания метанообразующих бактерий.Метановые бактерии очень чувствительны к колебаниям внешних факторов.  Это обстоятельство обусловливает меньшую,  чем аэробного, гибкость и устойчивость анаэробного процесса, и требует строгого контроля и регулировки входных параметров стоков. Оптимальными параметрами считаются следующие:  температура 30-35° С, рН =  = 6,8-7,2, ОВ-потенциал среды = минус (0,2-0,3).

Анаэробной очистке могут  подвергаться достаточно концентрированные  сточные воды с БПК5 не менее 500-1000 г/. Анаэробные аппараты сложнее по конструкции, чем аэротенки, и более затратные при строительстве, но  зато дают  больший эффект очистки

по химической потребности  кислорода (ХПК), а также предусматривают  утилизацию тепла,  образующегося  биогаза  для поднятия температуры  собственного процесса.

Обычно анаэробное оборудование применяют для сбраживания осадков  первичных отстойников и избыточного  активного ила аэробных биохимических  систем очистки бытовых стоков и  их смесей с промстоками. Используются такие системы и для переработки промышленных и сельскохозяйственных отходов с высоким содержанием твердых веществ. (Василенко, Никифоров…, 2009).

3.4. Электрохимические  методы обработки и очистки  сточных вод

Методы электрообработки жидкости достаточно разнообразны. Для очистки сточных вод от различных растворимых и диспергированных примесей применяют процессы анодного окисления и катодного восстановления,  электрокоагуляции,  электрофлотации и электродиализа.  Все они основаны на том, что твердые частицы или капельки дисперсной фазы ведут себя как заряженные микрообъекты, поэтому по законам электростатики в постоянном электрическом поле они будут совершать движение, которым можно управлять. Таким образом можно концентрировать частицы у электрода, вызывать их укрупнение, ускорять седиментацию частиц, отделять их от жидкости и т.д. Электроочистные сооружения достаточно компактны и эффективны,  хорошо поддаются автоматизации и могут компоноваться с другими методами и оборудованием.

Основными общими областями  применения электрохимических методов  являются:  улучшение  качества  воды,  ее  обеззараживание, очистка  сбросных вод и обезвоживание  осадков.

В настоящее время существуют три основных укрупненных направления  использования электрохимических  методов:

-  удаление  растворенных  примесей  в результате их анодного  окисления и катодного восстановления  с образованием нетоксичных или  нерастворимых в воде продуктов,  выпадающих в осадок;

- удаление растворенных  примесей с одновременной утилизацией  ценных продуктов методами электродиализа  с активными мембранами (основном для неорганических веществ);

- удаление растворенных  неорганических и органических  примесей путем электролиза сточных  вод с использованием растворимых  анодов и получением нерастворимых  продуктов. (Василенко, Никифоров…, 2009).

 Электрокоагуляция

Из  электрохимических  методов очистки сточных вод (особенно стоков гальванического производства)  наибольшее  распространение получил  электрокоагуляционный метод,  применяемый для очистки сточных вод от взвешенных частиц и коллоиднодисперсных систем, ионов цветных металлов и, особенно, хрома. При электролизе сточных вод с использованием анодов из листовой стали или алюминия вода обогащается соответствующими ионами, которые затем образуют гидроксиды этих металлов. Под их действием происходит процесс коагуляции содержащихся в воде высокодисперсных веществ, аналогичный процессу обработки воды соответствующими солями алюминия и железа. Однако,  в отличие от применения солевых коагулянтов, при электрокоагуляции вода не обогащается сульфат- и хлорид-ионами, содержание которых в очищенной воде лимитируется как при сбросе ее в водоемы, так и при повторном использовании в системах производства и водоснабжения.

Электрофлотация

Суть электрофлотации заключается в переносе частиц загрязнений из жидкости на поверхность раздела фаз пузырьками газообразного кислорода и водорода,  образующимися на  электродах  при пропускании через раствор электрического тока.  Пузырьки  постепенно растут на поверхности электродов и при достижении определенного размера отрываются.  При всплытии  они сталкиваются  с частицами загрязнений и за счет действия молекулярных и электростатических сил,  способствующих их слиянию,  транспортируются на поверхность раствора. Присутствующие в растворе примеси, обладающие поверхностно-активными свойствами,  будут способствовать образованию флотоактивных комплексов и поверхностного пенного слоя.

Электродиализ

Электродиализ -  это  процесс  непрерывной  сепарации ионов солей, осуществляемый в многокамерном мембранном аппарате (электродиализаторе)  под  действием  постоянного  тока,  направленного перпендикулярно плоскости мембран.

Основные области применения электродиализа:

- опреснение и обессоливание  воды, водоподготовка для питьевых  целей и дезактивация воды;

- получение органических  кислот и оснований;

- синтез неорганических  соединений;

- очистка и разделение  веществ в водных растворах.

Процесс очистки сточных  вод в данном случае основан на разделении ионизированных веществ под действием электродвижущей силы,  создаваемой в растворе по обе  стороны мембран. Мембраны используются неактивные (пористые)  и  активные (ионообменные).

3.5. Мембранные (баромембранные) методы

Мембранные процессы разделения основаны на преимущественной проницаемости  одного или нескольких компонентов  жидкой, газовой смеси или коллоидной системы через разделительную перегородку - мембрану. Компоненты жидкой  фазы,  прошедшие  через перегородку, называют пермеатом или фильтратом, а задержанные - концентратом.  Движущей силой мембранных процессов является разность химических или электрохимических потенциалов по обе стороны перегородки.

3.6. Термоокислительные методы очистки сточных вод

Для большой группы промышленных сточных вод применение типичных механических, биологических, физико-химических и других методов очистки зачастую не дает требуемых положительных  результатов.  Особенно затруднительна очистка стоков с большим спектром и высокой концентрацией органических и минеральных веществ. В таких  случаях применяют термоокислительные методы, суть которых заключается в окислении при повышенной температуре органических веществ до нетоксичных газообразных соединений.

Сжигание же вод с минерализованными  примесями может приводить к  образованию твердого остатка или  жидкого расплава.

Эти методы подразделяются на парофазное окисление (или огневой метод), жидкофазное окисление (метод Циммермана) и парофазное каталитическое окисление. Сточные воды, поступающие на сжигание,  тоже подразделяют: по физическим  свойствам жидкости или по ее теплотворной способности.  То  есть  они могут быть  загрязнены только органическими веществами, летучими или нелетучими, или загрязнены и неорганическими, и органическими компонентами.  Также при сжигании стоков может быть  необходимо дополнительное топливо или они в исходном состоянии обладают высокой теплотворной способностью не менее 8,4 МДж/кг.

Окончательный выбор метода обусловливается следующими факторами:  количество и состав сточных вод,  их  исходная  теплотворная способность, наличие у предприятия энергоресурсов и катализаторов, возможность и  целесообразность использования очищенных  стоков, экономичность процесса (Василенко, Никифоров…, 2009).

Огневой метод

Огневой метод является наиболее универсальным, надежным и эффективным  из всех термоокислительных методов. Суть  его заключается в следующем. Сточные воды  в распыленном состоянии вводятся в высокотемпературную зону горения органического топлива. При этом  вода полностью испаряется,  токсические органические вещества,  подвергаясь термическому окислению кислородом печной атмосферы, образуют нетоксичные продукты полного сгорания. Минеральные же примеси переходят в твердые или расплаленные частицы, которые улавливаются в пределах рабочей камеры и выводятся из нее в виде расплава или уносятся с дымовыми газами.

К недостаткам огневого метода относятся большой расход топлива  и необходимость перегрева водяного пара почти до тысячи градусов Цельсия из-за присутствия минеральных примесей. Поэтому данный метод целесообразен в следующих случаях:

- при небольшом количестве  сточных вод,  содержащих  высокотоксичные  вещества, обезвреживание которых  другими способами невозможно;

-  при извлечении ценных  растворенных минеральных примесей;

-  при наличии у предприятия  горючих производственных отходов,  которые могут быть использованы  в качестве топлива.

Метод жидкофазного окисления

Основан  на  окислении  кислородом воздуха органических примесей стоков при повышенной температуре (до 350 °С) и давлении (2-28 МПа), которое  обеспечивает нахождение воды в жидком состоянии. При высоких давлениях  существенно возрастает растворимость  кислорода в воде, а это способствует ускорению процесса окисления.

В соответствии со схемой (приложение 6, рис. 52, а) сточные воды смешивают  с воздухом и подают в теплообменник, где смесь нагревается теплом уже очищенной воды. Затем она  поступает в печь для нагревания до требуемой температуры, и далее - в реактор, в котором происходит окисление. Воду и продукты окисления  из реактора подают в сепаратор, где  происходит отделение газов от жидкости. С увеличением концентрации органических веществ в сточной воде существенно возрастает экономичность процесса.

Преимуществами данного  метода являются значительно меньший  расход топлива и высокий КПД  его использования,  универсальность  и экономичность, возможность комбинирования с другими методами. В качестве недостатков можно указать высокую  стоимость оборудования, повышенную  коррозионную  активность  и  образование  накипи, а также неполное окисление  ряда химических веществ (Василенко, Никифоров…, 2009).