Аэробные процессы очистки сточных вод

Сибирский Федеральный  Университет

Институт Фундаментальной  Биологии и Биотехнологии

 

 

 

 

 

РЕФЕРАТ

«Аэробные процессы очистки сточных вод»

 

 

 

 

 

Выполнил: студент 2 курса группы ББ11-04Б

                              Яковлев Юрий Юрьевич

                              Проверил: кандидат биологических наук,

                                Бояндин Анатолий Николаевич

 

 

 

Красноярск 2013.

 

Содержание.

1. Введение

 

2. Классификация сточных вод

 

 

3. Источники и виды загрязнений

 

4. Роль микроорганизмов

 

 

5. Механизмы реакций окисления органических соединений с помощью микроорганизмов

 

6. Метод аэробной очистки сточных вод

 

 

7. Заключение

 

 

8. Список использованной литературы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Современная химическая промышленность потребляет большое количество воды, которую можно измерить миллионами кубических метров в сутки, например мощный химический комбинат по производству продуктов хлорорганического синтеза потребляет количество воды равное тому, которое потребляет город с населением 600000 человек. Соответственно химические предприятия сбрасывают большое количество сильно загрязненных вод. В связи с этим, рациональное комплексное использование водных ресурсов является крупной технологической, технической и экономической задачей.

    Потребляемая человечеством вода, в зависимости от целей, подразделяется на питьевую и техническую. В каждой из них содержание примесей регламентируется соответственно ГОСТу. Питьевая вода прежде всего проходит проверку на содержание бактерий, так же к ней предъявляют особое требование в отношении вкусовых качеств и запаха. Промышленную воду прежде всего очищают от примесей.  Степень очистки зависит от области, в которой её применяют.

В процессе очистки воды выделяют следующие операции: осветление воды, обеззараживание, понижение жесткости, дегазация и дистилляции. Очищать сточные воды химических производств можно несколькими способами: механическими, химическими, физико-химическими и биологическими. Все методы очистки сточных могут подразделяться на методы, связанные с извлечением примесей и на методы основанные на разрушении примесей. Среди множества методов одно из ведущих мест занимает биологическая очистка. Данный метод основан на способности микроорганизмов использовать в качестве питательных веществ органические соединения, которые находятся в сточных водах.  Процесс очистки может происходить в присутствии кислорода (аэробная очистка) и в его отсутствие (анаэробная очистка). Биологический метод очистки сточных довольно эффективен, и именно поэтому он получил довольно широкое распространение.

 

 Классификация  сточных вод

Воды, которые образуются в процессе той или иной деятельности можно разделить на три категории: производственные (использованные в процессе производства или образующиеся после обработки руды); бытовые (от санитарных узлов зданий, а также от душевых установок); атмосферные (дождь и вода, образующаяся от таяния снега).

В свою очередь, производственные сточные воды делятся на два типа: загрязненные и незагрязненные.

Загрязненные содержат в себе органические или минеральные примеси. По количеству примесей (в мг/л) производственные сточные воды подразделяют на четыре группы: от 1 до 500; 500-5000; 5000-30 000; более 30 000. Производственные сточные воды так же разделяют по температуре кипения и по уровню рН.

Незагрязненные производственные сточные воды поступают от холодильных, компрессорных, теплообменных аппаратов.

По техническим процессам  производственные сточные воды подразделяется на следующие виды:

-реакционные воды, которые образуются в результате процессов, проходящих с образованием воды.

-воды, которые изначально содержатся в сырье.

-абсорбированная вода образуется при мокрой очистке отходящих газов.

 

 

 

 

  Источники и виды загрязнений

Загрязненные источники  воды становятся лишь частично или вовсе не пригодными для использования человечеством во всех сферах его деятельности. Примеси, которые попадают в водоемы со сточными водами химических предприятий, делятся на минеральные, органические и биологические.

К минеральным загрязнениям относят песок, глину, золу и шлаки, растворы и эмульсии солей, кислот, щелочей и минеральных масел. Эти примеси пагубно влияют на свойства воды, а также отравляют фауну водоемов. Минеральные загрязнения без токсического действия представляют меньшую опасность: взвешенные частицы песка, глины, других пород, но и они ухудшают свойства воды и способствуют заиливанию водоемов. Особую опасность для водоемов представляют сточные воды, содержащие значительные количества ртути и мышьяка. Основным источником таких вод являются предприятия, производящие пестициды. Стоит выделить составляющие сточных вод, которые вообще не разлагаются, и как следствие накапливаются в водоемах и распространяются на все трофические уровни.

К органическим загрязнениям относят смолы, фенолы, красители, спирты, альдегиды, нафтеновые кислоты, серо- и хлорсодержащие органические соединения, различные пестициды, которые попадают в следствии деятельности сельскохозяйственных предприятий. Нефть и нефтепродукты отрицательно влияют на поверхностные и подземные. На поверхности водоемов образуется пленка, а на дне - отложения. Даже при незначительном (0,2-0,4 мг/л) содержании нефти вода приобретает специфический запах, который не исчезает после хлорирования и фильтрования. Нефтепродукты особенно пагубно влияют на рыб. Наличие в воде более 0,1 мг/л нефти придает мясу рыб не устраняемые никакой технологической обработкой привкус и специфический запах. Фенольные соединения, содержащиеся в сточных водах предприятий лесохимической, коксохимической, сланцевой, анилинокрасочной промышленности, представляют огромную опасность для обитателей водоемов. Обладая сильными антисептическими свойствами, они нарушают биологические процессы в водоемах; вода приобретает неприятный запах, условия для воспроизводства рыбы становятся значительно хуже. В последние годы наблюдается загрязнение водоемов синтетическими поверхностно-активными веществами (ПАВ). Они содержатся в сточных водах многих производств. ПАВ придают воде привкусы и запахи, образуют пену, снижают способность воды к биохимической очистке. Уже при небольших концентрациях ПАВ в воде прекращается рост растительности.

Биологические загрязнения - это болезнетворные бактерии и вирусы, возбудители инфекций; они попадают в водоемы с бытовыми сточными водами, а также со сточными водами предприятий. Использование такой воды как питьевой и в качестве бытовых нужд провоцирует серьезные заболевания такие как: холера, инфекционный гепатит, дизентерия, брюшной тиф и т.д.

Другие загрязнения: попадание в природные водоемы теплых вод увеличивает испарение, что неизбежно приводит к минерализации воды и уменьшению количества растворенного кислорода в воде. Наибольшую опасность для всего живого представляют различные радиоактивные отходы. Эти отходы поглощаются мелкими обитателями водоема и переходят к более крупным, накапливаясь в них уже в большей концентрации.

Соотношение отдельных видов загрязняющих примесей в различных водоемах зависит от объемов и состава, поступающих в них сточных вод.

Роль микроорганизмов

Микроорганизмы распространены во всех частях биосферы, например, в 1 см3 почвы их содержится до 100 миллионов.  Уже сам по себе данный факт свидетельствует об их важной роли в биосфере и в деятельности человека. Микроорганизмы обладают способностью осуществлять биохимические превращения почти всех органических веществ естественного происхождения, включая и те, которые находятся в растворенном состоянии в воде. Данные превращения связаны в один комплекс со сложными последовательными реакциями, которые протекают при участии катализаторов белковой природы - ферментов. С биохимической точки зрения ферментация - особая категория биохимических превращений органических веществ (субстратов), совершаемых в результате жизнедеятельности микроорганизмов.

При подходящих условиях микроорганизмы растут, размножаются, перерабатывают органические вещества, которые используют в качестве пищи, и выделяют в окружающую среду разнообразные конечные продукты. Процессы минерализации органической материи т. е. превращения ее в неорганические вещества разделяются, с учётом условий и вида микроорганизмов на две большие группы - аэробные и анаэробные.

Способность микроорганизмов  осуществлять биохимические превращения  органических веществ и возможность  управления данным процессом с помощью  ферментов-катализаторов используется в промышленности.

 Примером промышленного  применения микроорганизмов является  биохимическая очистка бытовых  и промышленных сточных вод.  Органические вещества, содержащиеся  в этих водах, являются благоприятной  средой для микроорганизмов, которые  в ней быстро размножаются, используя  часть пищи для синтеза новых  клеток, а другую перерабатывая  в простые минеральные продукты - СО2, Н2О и др. Данный процесс,  протекающий в присутствии кислорода  (воздуха), называется «биохимическим»  окислением.

Процессу биохимического окисления сточных вод предшествует их механическое очищение.  В результате данных процессов образуются осадки, где органические вещества минерализуются чаще всего за счет анаэробных биохимических процессов.

Перенос вещества от поверхности  внутрь клетки может проходить двумя  способами: последовательное растворение  вещества в оболочке клетки и цитоплазматической мембране, благодаря чему оно диффундирует внутрь клетки; присоединение транспортируемого  вещества к специфическому белку-переносчику, который находится в мембране; дальнейшее превращение комплекса  вещество-переносчик в растворимое  состояние; диффузия комплекса через  мембрану в клетку, где комплекс распадается, и белок-переносчик высвобождается для совершения нового цикла.

  Окисление вещества  сопровождается выделением энергии,  а синтез новых белковых веществ  протекает с затратой энергии.  Данные процессы превращения  веществ, происходящие в клетках  микроорганизмов, играют главную  роль в очистке сточных вод.

Скорость потребления  кислорода активным илом зависит от: концентрации микроорганизмов и простейших в активном иле, скорости их роста и физиологической активности; концентрации и состава питательных веществ, поступающих с загрязненным потоком, от содержания кислорода в среде и условий аэрации в аэротенке.

Для процесса биоокисления органических веществ микроорганизмами важнейшее значение имеет транспорт  кислорода в системе газ-жидкость-клетка, поэтому процессы массопередачи и гидродинамики в аэротанках являются основополагающими.

 Таким образом для очистки сточных вод широко используются два типа биологических процессов: аэробные (в которых микроорганизмы используют растворенный кислород в сточных водах) и анаэробные (в которых микроорганизмы не имеют доступа ни к свободными растворенному кислороду, ни к другим, предпочтительным в энергетических отношениях акцепторам электронов).

 

 Реакции окисления органических соединений с помощью микроорганизмов

Важнейшую роль в процессе очистки сточных вод берут на себя процессы превращения вещества, которые протекают внутри клеток микроорганизмов. Результатом этих процессов является окисление вещества с выделением энергии и образование новых веществ с расходом энергии.

Скорость биохимических реакций зависит от активности ферментов, которая, в свою очередь, зависит от температуры, рН и присутствия в сточной воде различных веществ. С повышением температуры скорость ферментативных процессов повышается, но до определенного предела. Каждому ферменту характерна своя оптимальная температура, выше которой скорость протекания процесса падает. Чтобы разрушить смесь органических веществ необходимо 80- 100 различных ферментов.

К числу веществ-активаторов, способных повышать активность ферментов, относятся витамины и катионы Са2+, Mg2+, Mn2+. Соли тяжелых металлов, синильная кислота, антибиотики относятся к ингибиторам, блокируют активные центры фермента, тем самым препятствуя протеканию реакции фермента с субстратом. Образование и распад ферментов зависит от условий роста микроорганизмов и определяется интенсивностью поступления веществ в клетку, способных ингибировать или активировать биохимические процессы.

Когда несколько веществ присутствуют в сточных водах, то процесс окисления зависит от содержания и структуры всех органических веществ. Сначала окислятся вещества, которые необходимы для жизнедеятельности микроорганизмов. Оставшиеся вещества будут потребляться микроорганизмами с учетом набора ферментов. Окисление будет происходить с равными или разными скоростями  последовательно или параллельно. От этого и зависит время, необходимое для очистки вод. Если процесс окисления идет последовательно продолжительность очистки выражается суммой длительности окисления каждого вещества в отдельности.

Микроорганизмам нужно разное время адаптации для того, чтобы  окислять практически любые вещества. Быстро окисляются бензойная кислота, этиловый и амиловый спирты, гликоли, хлоргидриды, ацетон, глицерин, анилин, сложные эфиры и др.  Одно-, двух- и трехатомные спирты хорошо окисляются, но третичные спирты окисляются значительно медленнее. Если вещество содержит функциональные группы, то у него увеличивает способность к биологическому разрушению соединений в следующей последовательности: -СН3, -ООССН3 , -СНО, -СН2ОН, -СНОН, -СООН, -CN, -NH2, -ОНСООН, -SO3H.

Двойная связь увеличивает  скорость разложения биологического вещества. Скорость окисления уменьшается  с увеличением молекулярной массы  вещества. Таким образом, не все вещества окисляются с одинаковой скоростью. Так же установлено, что вещества, находящиеся в сточных водах: в коллоидном или мелкодисперсном состоянии, окисляются с меньшей скоростью, чем вещества, растворенные в воде.

Методы  аэробной очистки сточных вод

 Часть органических веществ, которая используется в аэробных процессах, идет на биосинтез, другая – превращается в Н₂О, СО₂, NO₂. На методах проточного культивирования основывается принцип действия аэробных систем. Удаление примесей складывается из нескольких стадий: массопередачи органических веществ и кислорода из жидкости к клеточной поверхности, диффузии веществ и кислорода внутрь клеток через мембрану и метаболизма, вследствие которого происходит увеличение микробной биомассы с выделением энергии и углекислоты. Интенсивность и глубина биологической очистки зависит от скорости размножения микроорганизмов. Когда в очищаемых сточных водах не остается органических веществ, наступает второй этап очистки – нитрификация, в результате которой азотсодержащие вещества стоков окисляются до нитритов и далее – до нитратов. Аэробная биологическая очистка складывается из двух этапов: минерализации и нитрификации. Появление в очищаемых стоках нитратов и нитритов -показатель глубокой степени очистки. Углерод, кислород, сера, которые необходимы для развития микроорганизмов, содержатся в сточных водах, а если содержание азота, калия, фосфора недостаточно, то их в виде солей добавляют в очищаемые стоки.