Очистка сточных вод. 9

Введение.

   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.                   
 
 
 

1.Источники загрязнения внутренних водоемов 

   Под загрязнением  водных ресурсов понимают любые  изменения физических, химических  и биологических свойств воды  в водоемах в связи со сбрасыванием  в них жидких, твердых и газообразных  веществ, которые причиняют или  могут создать неудобства, делая  воду данных водоемов опасной  для использования, нанося ущерб  народному хозяйству, здоровью  и безопасности населения

   Загрязнение  поверхностных и подземных вод  можно распределить на такие  типы:

механическое - повышение содержания механических примесей, свойственное в основном поверхностным видам загрязнений;

химическое - наличие в воде органических и неорганических веществ токсического и нетоксического действия;

бактериальное и биологическое - наличие в воде разнообразных патогенных микроорганизмов, грибов и мелких водорослей;

радиоактивное - присутствие радиоактивных веществ в поверхностных или подземных водах;

тепловое  - выпуск в водоемы подогретых вод тепловых и атомных ЭС.

   Основными  источниками загрязнения и засорения  водоемов является недостаточно  очищенные сточные воды промышленных  и коммунальных предприятий, крупных  животноводческих комплексов, отходы  производства при разработке  рудных ископаемых; воды шахт, рудников, обработке и сплаве лесоматериалов; сбросы водного и железнодорожного  транспорта; отходы первичной обработки  льна, пестициды и т.д. Загрязняющие  вещества, попадая в природные  водоемы, приводят к качественным  изменениям воды, которые в основном  проявляются в изменении физических  свойств воды, в частности, появление  неприятных запахов, привкусов  и т.д. в изменении химического  состава воды, в частности, появление  в ней вредных веществ, в  наличии плавающих веществ на  поверхности воды и откладывании  их на дне водоемов.

   Производственные  сточные воды загрязнены в  основном отходами и выбросами  производства. Количественный и  качественный состав их разнообразен  и зависит от отрасли промышленности, ее технологических процессов;  их делят на две основные  группы: содержащие неорганические  примеси, в т.ч. и токсические,  и содержащие яды.

   К первой  группе относятся сточные воды  содовых, сульфатных, азотно-туковых  заводов, обогатительных фабрик  свинцовых, цинковых, никелевых руд  и т.д., в которых содержатся  кислоты, щелочи, ионы тяжелых  металлов и др. Сточные воды  этой группы в основном изменяют  физические свойства воды.

   Сточные  воды второй группы сбрасывают  нефтеперерабатывающие, нефтехимические  заводы, предприятия органического  синтеза, коксохимические и др. В стоках содержатся разные  нефтепродукты, аммиак, альдегиды,  смолы, фенолы и другие вредные  вещества. Вредоносное действие  сточных вод этой группы заключается  главным образом в окислительных  процессах, вследствие которых  уменьшается содержание в воде  кислорода, увеличивается биохимическая  потребность в нем, ухудшаются  органолептические показатели воды.

   Нефть  и нефтепродукты на современном  этапе являются основными загрязнителями  внутренних водоемов, вод и морей,  Мирового океана. Попадая в водоемы,  они создают разные формы загрязнения:  плавающую на воде нефтяную  пленку, растворенные или эмульгированные  в воде нефтепродукты, осевшие  на дно тяжелые фракции и  т.д. При этом изменяется запах,  вкус, окраска, поверхностное натяжение,  вязкость воды, уменьшается количество  кислорода, появляются вредные  органические вещества, вода приобретает  токсические свойства и представляет  угрозу не только для человека. 12 г нефти делают непригодной  для употребления тонну воды.

   Довольно  вредным загрязнителем промышленных  вод является фенол. Он содержится  в сточных водах многих нефтехимических  предприятий. При этом резко  снижаются биологические процессы  водоемов, процесс их самоочищения, вода приобретает специфический  запах карболки.

   На жизнь  населения водоемов пагубно влияют  сточные воды целлюлозно-бумажной  промышленности. Окисление древесной  массы сопровождается поглощением  значительного количества кислорода,  что приводит к гибели икры, мальков и взрослых рыб. Волокна  и другие нерастворимые вещества  засоряют воду и ухудшают ее  физико-химические свойства. На рыбах  и на их корме - беспозвоночных - неблагоприятно отражаются молевые  сплавы. Из гниющей древесины  и коры выделяются в воду  различные дубильные вещества. Смола  и другие экстрактивные продукты  разлагаются и поглощают много  кислорода, вызывая гибель рыбы, особенно молоди и икры. Кроме  того, молевые сплавы сильно засоряют  реки, а топляк нередко полностью  забивает их дно, лишая рыб  нерестилищ и кормовых мест.

   Атомные  электростанции радиоактивными  отходами загрязняют реки. Радиоактивные  вещества концентрируются мельчайшими  планктонными микроорганизмами  и рыбой, затем по цепи питания  передаются другим животным. Установлено,  что радиоактивность планктонных  обитателей в тысячи раз выше, чем воды, в которой они живут.

Сточные воды, имеющие  повышенную радиоактивность (100 кюри на 1л и более), подлежат захоронению  в подземные бессточные бассейны и специальные резервуары.

Рост населения, расширение старых и возникновение  новых городов значительно увеличили  поступление бытовых стоков во внутренние водоемы. Эти стоки стали источником загрязнения рек и озер болезнетворными  бактериями и гельминтами. В еще  большей степени загрязняют водоемы  моющие синтетические средства, широко используемые в быту. Они находят  широкое применение также в промышленности и сельском хозяйстве. Содержащиеся в них химические вещества, поступая со сточными водами в реки и озера, оказывают значительное влияние  на биологический и физический режим  водоемов. В результате снижается  способность вод к насыщению  кислородом, парализуется деятельность бактерий, минерализующих органические вещества.

   Вызывает  серьезное беспокойство загрязнение  водоемов пестицидами и минеральными  удобрениями, которые попадают  с полей вместе со струями  дождевой и талой воды. В результате  исследований, например, доказано, что  инсектициды, содержащиеся в воде  в виде суспензий, растворяются  в нефтепродуктах, которыми загрязнены  реки и озера. Это взаимодействие  приводит к значительному ослаблению  окислительных функций водных  растений. Попадая в водоемы, пестициды  накапливаются в планктоне, бентосе,  рыбе, а по цепочке питания  попадают в организм человека, действуя отрицательно как на  отдельные органы, так и на  организм в целом.

В связи с  интенсификацией животноводства все  более дают о себе знать стоки  предприятий данной отрасли сельского  хозяйства.

   Сточные  воды, содержащие растительные волокна,  животные и растительные жиры, фекальную массу, остатки плодов  и овощей, отходы кожевенной и  целлюлозно-бумажной промышленности, сахарных и пивоваренных заводов,  предприятий мясомолочной, консервной  и кондитерской промышленности, являются причиной органических  загрязнений водоемов.

   В сточных  водах обычно около 60% веществ  органического происхождения, к  этой же категории органических  относятся биологические (бактерии, вирусы, грибы, водоросли) загрязнения  в коммунально-бытовых, медико-санитарных  водах и отходах кожевенных  и шерстомойных предприятий.

   Нагретые  сточные воды тепловых ЭС и  др. производств причиняют "тепловое  загрязнение", которое угрожает  довольно серьезными последствиями:  в нагретой воде меньше кислорода,  резко изменяется термический  режим, что отрицательно влияет  на флору и фауну водоемов, при этом возникают благотворные  условия для массового развития  в водохранилищах сине-зеленых  водорослей - так называемого "цветения  воды". Загрязняются реки и  во время сплава, при гидроэнергетическом  строительстве, а с началом  навигационного периода увеличивается  загрязнение судами речного флота. 

2. Методы  очистки сточных вод 

   В реках  и других водоемах происходит  естественный процесс самоочищения  воды. Однако он протекает медленно. Пока промышленно-бытовые сбросы  были невелики, реки сами справлялись  с ними. В наш индустриальный  век в связи с резким увеличением  отходов водоемы уже не справляются  со столь значительным загрязнением. Возникла необходимость обезвреживать,  очищать сточные воды и утилизировать  их.

   Очистка  сточных вод - обработка сточных  вод с целью разрушения или  удаления из них вредных веществ.  Освобождение сточных вод от  загрязнения - сложное производство. В нем, как и в любом другом  производстве имеется сырье (сточные  воды) и готовая продукция (очищенная  вода).

   Методы очистки сточных вод можно разделить на механические, химические, физико-химические и биологические, когда же они применяются вместе, то метод очистки и обезвреживания сточных вод называется комбинированным. Применение того или иного метода в каждом конкретном случае определяется характером загрязнения и степенью вредности примесей.

   Сущность механического метода состоит в том, что из сточных вод путем отстаивания и фильтрации удаляются механические примеси. Грубодисперсные частицы в зависимости от размеров улавливаются решетками, ситами, песколовками, септиками, навозоуловителями различных конструкций, а поверхностные загрязнения - нефтеловушками, бензомаслоуловителями, отстойниками и др. Механическая очистка позволяет выделять из бытовых сточных вод до 60-75% нерастворимых примесей, а из промышленных до 95%, многие из которых как ценные примеси, используются в производстве.

   Химический метод заключается в том, что в сточные воды добавляют различные химические реагенты, которые вступают в реакцию с загрязнителями и осаждают их в виде нерастворимых осадков. Химической очисткой достигается уменьшение нерастворимых примесей до 95% и растворимых до 25%

   При физико-химическом методе обработки из сточных вод удаляются тонко дисперсные и растворенные неорганические примеси и разрушаются органические и плохо окисляемые вещества, чаще всего из физико-химических методов применяется коагуляция, окисление, сорбция, экстракция и т.д. Широкое применение находит также электролиз. Он заключается в разрушении органических веществ в сточных водах и извлечении металлов, кислот и других неорганических веществ.          Электролитическая очистка осуществляется в особых сооружениях - электролизерах. Очистка сточных вод с помощью электролиза эффективна на свинцовых и медных предприятиях, в лакокрасочной и некоторых других областях промышленности.

   Загрязненные сточные воды очищают также с помощью ультразвука, озона, ионообменных смол и высокого давления, хорошо зарекомендовала себя очистка путем хлорирования.

   Среди методов очистки сточных вод большую роль играет биологический метод, основанный на использовании закономерностей биохимического и физиологического самоочищения рек и других водоемов. Есть несколько типов биологических устройств по очистке сточных вод: биофильтры, биологические пруды и аэротенки.

В биофильтрах  сточные воды пропускаются через  слой крупнозернистого материала, покрытого  тонкой бактериальной пленкой. Благодаря  этой пленке интенсивно протекают процессы биологического окисления. Именно она  служит действующим началом в  биофильтрах.

В биологических  прудах в очистке сточных вод  принимают участие все организмы, населяющие водоем.

   Аэротенки - огромные резервуары из железобетона. Здесь очищающее начало - активный ил из бактерий и микроскопических животных. Все эти живые существа бурно развиваются в аэротенках, чему способствуют органические вещества сточных вод и избыток кислорода, поступающего в сооружение потоком подаваемого воздуха. Бактерии склеиваются в хлопья и выделяют ферменты, минерализующие органические загрязнения. Ил с хлопьями быстро оседает, отделяясь от очищенной воды. Инфузории, жгутиковые, амебы, коловратки и другие мельчайшие животные, пожирая бактерии, неслипающиеся в хлопья, омолаживают бактериальную массу ила.

   Сточные воды перед биологической очисткой подвергают механической, а после нее для удаления болезнетворных бактерий и химической очистке, хлорированию жидким хлором или хлорной известью. Для дезинфекции используют также другие физико-химические приемы (ультразвук, электролиз, озонирование и др.)

   Биологический метод дает большие результаты при очистке коммунально-бытовых стоков. Он применяется также и при очистке отходов предприятий нефтеперерабатывающей, целлюлозно-бумажной промышленности, производстве искусственного волокна. 

3.Процессы биологической очистки 

   Сооружениям биологической очистки отводится главенствующая роль в общем комплексе сооружений канализационной очистной станции. В результате процессов биологической очистки сточная вода может быть очищена от многих органических и некоторых неорганических примесей. Процесс очистки осуществляет сложное сообщество микроорганизмов - бактерий, простейших, ряда высших организмов - в условиях аэробиоза, т.е. наличия в очищаемой воде растворённого кислорода. Загрязнения сточных вод являются для многих микроорганизмов источником питания, при использовании которого они получают всё необходимое для их жизни - энергию и материал для конструктивного обмена (восстановления распадающихся веществ клетки, прироста биомассы). Изымая из воды питательные вещества (загрязнения), микроорганизмы очищают от них сточную воду, но одновременно они вносят в неё новые вещества - продукты обмена, выделяемые во внешнюю среду.

   До настоящего времени не существует системы биоиндикации процесса биологической очистки, и остаётся справедливым утверждение о множестве разноречивых данных, трактующих взаимосвязь качества очистки и специфических организмов. Это объясняется, прежде всего, особенностями биоценоза активного ила, его высоким адаптационными свойствами, что позволяет развиваться одним и тем же видам в разных экологических зонах, влиянием на его развитие сложного комплекса биотических и абиотических факторов. 

3.1.Комплекс биотических и абиотических факторов 

Основными абиотическими  факторами, воздействующими на биоценоз ила, являются: температура, состав очищаемых  сточных вод и наличие в  них токсичных веществ, влияющих на жизнедеятельность микроорганизмов; фактические концентрации и разнообразие растворённых питательных веществ, используемых микроорганизмами для  роста; содержание растворённого кислорода  в иловой смеси (табл.1). 

Таблица 1. Экологические факторы, определяющие развитие активного ила. 

АБИОТИЧЕСКИЕ  ФАКТОРЫ                           БИОТИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ 

3.2.Способность  к флокуляции 

   Своеобразные  условия существования формируют  активный ил и его способность  к флокуляции, которая является  одной из важнейших характеристик  состояния биоценоза. Структура  и биологические свойства хлопьев  ила определяют эффективность  и качество биологической очистки.  При нормально идущих процессах  очистки масса активного ила  представлена хлопьями с плотностью  в среднем 1.1-1.37 г/см3 и размером  от 53 до 212 мкм. Бактериальные клетки  расположены внутри, на поверхности  хлопьев, могут быть представлены  незначительным количеством не  связанных с хлопьями одиночными  бактериями: палочками, кокками,  спирохетами и микроколониями  из палочек. Бактерии активного  ила синтезируют и секретируют  в среду внеклеточный биополимер - полисахаридный гель. Именно наличие  геля обуславливает агрегацию  микроорганизмов и образование  хлопьевидных скоплений - флокул. Активный ил только в флокулированном  состоянии может обеспечивать  высокие скорости окисления загрязняющих  веществ, и, по существу, качество  очищенной воды определяется  его способностью к флокуляции. 

3.3.Процесс  полной трёхстадийной биологической  очистки 

   Процесс  полной биологической очистки  протекает в три стадии.

   На первой  стадии, сразу же после смешения  сточных вод с активным илом, на его поверхности происходят  адсорбция загрязняющих веществ  и их коагуляция (укрупнение частиц  несущих органические вещества), причём адсорбция обеспечивается  как хемосорбцией, так и биосорбцией  с помощью полисахаридного геля  активного ила и благодаря  огромной поверхности ила, один  грамм которого занимает 100 м2. Таким  образом, на первой стадии очистки  загрязняющие вещества в сточных  водах удаляются благодаря механическому  изъятию их активным илом из  воды и началу процесса биоокисления  наиболее легкоразлагающейся органики. Высокое содержание поступающих  загрязняющих веществ способствует  на первой стадии высокой кислородопоглащаемости, что приводит к практически  полному потребления кислорода  в зонах поступления сточных  вод в аэротенках. На первой  стадии за 0.5-2.0 часа содержание  органических загрязняющих веществ,  характеризуемых показателем БПК5, снижается на 50-60%.

   На второй  стадии полной биологической  очистки продолжается биосорбция  загрязняющих веществ и идёт  их активное окисление экзоферментами (ферментами, выделяемыми активным  илом в окружающую среду). Благодаря  снизившейся концентрации загрязняющих  веществ, начинает восстанавливаться  активность ила, которая была  подавлена к концу первой стадии  очистки. Скорость потребления  кислорода на этой стадии меньше, чем в начале процесса, и в  воде накапливается растворённый  кислород. В случае благополучия  второй стадии экзоферментами  окисляется до 75% органических загрязняющих  веществ, характеризуемых показателем  БПК5. Продолжительность этой стадии  различна в зависимости от  состава очищаемых сточных вод  и составляет от 2.0 до 4.0 часов.

   На третьей  стадии очистки происходит окисление  загрязняющих веществ эндоферментами (внутри клетки), доокисление сложноокисляемых  соединений, превращение азота аммонийных  солей в нитриты и нитраты,  регенерация активного ила. Именно  на этой стадии (стадии внутриклеточного  питания активного ила) происходит  образование полисахаридного геля, выделяемого бактериальными клетками. Скорость потребления кислорода  вновь возрастает. Общая продолжительность  процесса в аэротенках составляет 6-8 часов для бытовых и может  увеличиваться до 10-20 и более часов  при совместной очистке бытовых  и производственных сточных вод.  Продолжительность третьей стадии, таким образом, составляет от 4-6 часов при очистке бытовых  сточных вод и может удлиняться  до 15 часов.

   Благополучие  фазы эндогенного питания определяется  величиной нагрузки, возрастом активного  ила и временем пребывания  его в аэротенках. Увеличение  возраста активного ила, времени  его пребывания в системе очистки,  падение удельной нагрузки на  него продлевает фазу эндогенного  питания и создаёт благоприятный  режим для её протекания, что  способствует активному гелеобразованию,  укрупнению хлопьев активного  ила, улучшению его флокулирующих  свойств. Внезапное увеличение  нагрузки, сокращение возраста, токсические  вещества, присутствующие в поступающей  на очистку воде, оказывают подавляющее  воздействие на процесс ферментативного  окисления в целом и на фазу  эндогенного питания. Таким образом,  флокуляция хлопьев, а, следовательно,  эффективность очистки, зависит  от характеристик поступающих  сточных вод, условий введения  технологического процесса очистки  и от действия гидродинамических  сил в аэротенке. 

3.4.Видовое  разнообразие организмов активного  ила 

   Богатое  видовое разнообразие (не менее  25 видов простейших) организмов активного  ила свидетельствует о благополучии  биологической системы аэротенка,  Высокой эффективности очистки  и устойчивости биоценоза к  повреждающему воздействию токсичных  сточных вод.

Как и в других водных сообществах, характер реакции  биоценоза активного ила на неблагоприятное  воздействие, проявляется в снижении видового разнообразия. Чувствительные к неблагоприятному воздействию  виды могут исчезнуть совсем или  резко снизить численность, в  то время как устойчивые становятся ещё обильнее. Если действие неблагоприятного фактора нарастает или долго  сохраняется, затрагиваются все  новые виды биоценоза и, в результате, при минимальном видовом разнообразии наблюдается максимальная численность  наиболее устойчивых видов.

   Усложнение  биоценоза сопровождается последовательным  включением в него всё более  совершенных видов вплоть до  хищников:

зооглеи - нитчатые бактерии-мелкие жгутиконосцы - мелкие раковинные амёбы-свободноплавающие - брюхоресничные - прикреплённые и  сосущие инфузории - коловратки - черви - водные клещи - представители третьего трофического уровня .Своеобразие биоценоза  активного ила в наибольшей степени  определяется нагрузкой по органическим загрязняющим веществам и эффективностью их разложения. 

3.5.Режим  работы активного ила 

   Суммарный  эффект воздействия разнообразных  факторов, основным из которых  следует считать удельные нагрузки, формирует специфический для  каждого очистного сооружения  активный ил, который может быть  подразделён на три основных  типа:

А. Работающий на неполное окисление органических загрязнений.

Б. Полное окисление.

В. Полное окисление  с последующей нитрификацией 

   Сооружения  биологической очистки, работающие  в режиме неполного окисления,  как правило, имеют высокие  удельные нагрузки (400-600 мг БПК  на грамм активного ила). При  этом формируется биоценоз с  бедным видовым разнообразием (5-13 видов) простейших и численным преобладанием отдельных групп, таких как жгутиконосцы, раковинные амёбы, нитчатые бактерии, крупные свободноплавающие инфузории, "бентосные" раковинные амёбы, мелкие корненожки.

   При сниженных нагрузках на ил до 250-300 мг/г, обеспечивается полное окисление растворённых органических веществ. Такие сооружения обычно очищают сточные воды смешанного состава (бытовые и производственные). Неоднородное, многокомпонентное загрязнение среды обитания даёт возможность организмам ила приобрести и сохранять необходимый уровень приспособленности в широком спектре непрерывно меняющихся условий. Биоценозы на таких очистных сооружениях разнообразны по видам, динамичны, подвижны и чутко реагируют на внешнее воздействие. При нормально протекающем процессе очистки в них отсутствуют численно доминирующие виды или такое доминирование минимально.

   При удельных нагрузках 80-150 мг/г обеспечивается полное окисление и нитрификация азотосодержащих загрязнений. При полном окислении поступающих на очистку растворённых органических веществ, ненарушенном балансе их сорбции и окислении, низких нагрузках на активный ил и развитом процессе нитрификации формируется наиболее экологически совершенный биоценоз - нитрифицирующий активный ил. Нитрифицирующие хлопья ила крупные, компактные, хорошо оседающие, наполненные пузырьками газа, наблюдается самопроизвольная флотация ила, вызванная процессами денитрификации. Процесс денитрификации, протекающий во вторичных отстойниках, может ухудшать качество очищенной воды за счёт избыточного выноса активного ила, особенно в тёплое время года.

   Биоценоз нитрифицирующего активного ила характеризуется, в целом, наиболее сложной экологической структурой с высоким таксономическим разнообразием (до 45 видов простейших) без численного преобладания различных видов. Нитчатые бактерии, мелкие бесцветные жгутиконосцы, мелкие формы как голых, так и раковинных амёб практически полностью вытесняются из биоценоза или их численность минимальна. Из инфузорий преобладают брюхоресничные и прикреплённые формы, жизнедеятельность которых тесно связана с хорошо сформированными, флокулированными хлопьями активного ила. Присутствуют представители высшего звена - хищники, что положительно влияет на степень очищения воды от органических загрязняющих веществ за счёт повышения интенсивности обмена. В нитрифицирующем иле всегда присутствуют (не достигая массового развития) хищные коловратки, сосущие инфузории, хищные грибы и черви рода Chaetogaster. Периодически встречаются тихоходки.