Аэробные и анаэробные процессы в сточных водах. Очистка сточных вод. Подготовила Студентка 5 курса Кафедры ХВМС Овденко Валерия
Сточные воды – это воды, загрязнённые бытовыми отбросами и производственными отходами и удаляемые с территорий населённых мест и промышленных предприятий системами канализации. К С. в. относят также воды, образующиеся в результате выпадения атмосферных осадков в пределах территорий населённых пунктов и промышленных объектов. Содержащиеся в С. в. органические вещества, попадая в значительных количествах в водоёмы или скапливаясь в почве, могут быстро загнивать и ухудшать санитарное состояние водоёмов и атмосферы, способствуя распространению различных заболеваний. Поэтому вопросы очистки, обезвреживания и утилизации С. в. являются неотъемлемой частью проблемы охраны природы, оздоровления окружающей человека среды и обеспечения санитарного благоустройства городов и др. населённых мест.
Сточные воды, их состав, классификация Сточные воды от населенных мест и промышленных предприятий могут быть классифицированы по трем признакам: • по месту образования; • по виду содержащихся в стоках веществ; • по фазово-дисперсному состоянию загрязнений.
• • • По месту образования сточные воды могут быть: Бытовые – от раковин, унитазов, ванн и др. источников стоков, установленных в жилых, общественных, коммунальных и промышленных зданиях. Производственные – стоки, образующиеся при использовании воды для различных технологических процессов производства. Атмосферные – образуются на поверхности проездов, площадей и крыш зданий при выпадении осадков. К этой категории относятся дождевые и талые стоки, а также воды от поливки улиц (поливомоечные). Все категории сточных вод в той или иной степени содержат загрязнения, вид и состав которых позволяет делить стоки по виду содержащихся в них веществ. Различают три следующие основные группы загрязнений: Минеральные загрязнения. К ним относятся: песок, глинистые частицы, частицы руды, шлака, растворимые неорганические соли, кислоты и щелочи.
• Органические загрязнения. Могут быть разделены на загрязнения растительного происхождения, в которых преобладает химический элемент углерод (остатки овощей, плодов и т. д. ) и животного происхождения, в которых преобладает азот (физиологические выделения, остатки живых тканей и т. д. ). В бытовых стоках содержится примерно 60% загрязнений органического происхож-дения и 40% минерального. Органические загрязнения являются благоприятной средой для развития микроорганизмов, поэтому в стоках содержится еще один, третий вид загрязнений: • Биологические загрязнения. К этой категории относятся бактерии, дрожжевые и плесневелые грибки, яйца гельминтов и вирусы. • По фазово-дисперсному состоянию все загрязнения делятся по степени дисперсности (т. е. измельченности) на: • Растворенные вещества, состоящие из молекулярно-дисперсных частиц, размером не более 0, 01 мкм (10 -8 м). • Коллоидные вещества – частицы размером от 0, 01 до 0, 1 мкм. • Нерастворенные примеси, размер частиц которых составляет более 0, 1 мкм. В свою очередь эти примеси делятся на всплывающие, оседающие и взвешенные вещества.
Производственные сточные воды делятся на условно-чистые, которые использовались преимущественно на охлаждение и почти не загрязнены, и загрязненные. Последняя категория может быть разделена на три группы стоков, содержащих: • преимущественно минеральные вещества; • преимущественно органические вещества; • органические, ядовитые вещества. В зависимости от концентрированности производственные сточные воды могут быть высококонцентрированными и слабоконцентрированными, по значению показателя p. H стоки делятся на малоагрессивные (в том числе слабокислые и слабощелочные) и высокоагрессивные (сильнокислые и сильнощелочные).
• • Обобщенные показатели загрязненности сточных вод Для характеристики загрязненности сточных вод используют т. н. суммарные или групповые показатели. Эти показатели характеризуют определенные свойства воды без идентификации отдельных веществ. Вот некоторые важнейшие показатели загрязненности: Взвешенные вещества – количество примесей, которое задерживается на бумажном фильтре при фильтровании пробы Оседающие вещества – часть взвешенных веществ, оседающих на дно отстойного цилиндра за 2 часа отстаивания. В среднем в бытовые стоки поступает 65 гр. взвешенных и 30… 35 гр. оседающих веществ на человека в сутки. Сухой остаток – количество загрязнений, остающееся после выпаривания пробы при 105 о. С.
• Биохимическая потребность в кислороде (БПК) – количество кислорода, потребляемое аэробными микроорганизмами в процессе жизнедеятельности для окисления органических веществ, содержащихся в сточной воде. Этот показатель характеризует содержание органики, которая может быть удалена методом биологической очистки, например, с помощью активного ила в аэротенках. • Химическая потребность в кислороде (ХПК) – количество кислорода, необходимое для окисления углерода органических соединений водорода, азота и серы, содержащихся в сточной воде. • Концентрация ионов водорода – выражается величиной p. H (отрицательный десятичный логарифм молярной концентрации ионов водорода). Среда считается кислой при p. H < 7, и щелочной при p. H > 7. Городские стоки обычно имеют слобощелочную реакцию среды p. H = 7, 2… 7, 8. • Коли-титр – наименьшее количество воды, в котором содержится 1 кишечная палочка рода Escherichia Coli. Этот показатель косвенно характеризует зараженность воды патогенными микроорганизмами.
• • • Производственные сточные воды, в отличие от атмосферных и бытовых, не имеют постоянного состава и могут быть разделены: по составу загрязнителей на: – загрязнённые по преимуществу минеральными примесями – загрязнённые по преимуществу органическими примесями – загрязнённые как минеральными, так и органическими примесями по концентрации загрязняющих веществ: – с содержанием примесей 1— 500 мг/л – с содержанием примесей 500— 5000 мг/л – с содержанием примесей 5000— 30000 мг/л – с содержанием примесей более 30000 мг/л по свойствам загрязнителей по кислотности: – неагрессивные (p. H 6, 5— 8) – слабоагрессивные (слабощелочные — p. H 8— 9 и слабокислые — p. H 6— 6, 5) – сильноагрессивные (сильнощелочные — p. H>9 и сильнокислые — p. H<6) по токсическому действию и действию загрязнителей на водные объекты: – содержащие вещества, влияющие на общесанитарное состояние водоёма (напр. , на скорость процессов самоочищения) – содержащие вещества, изменяющие органолептические свойства (вкус, запах и др. ) – содержащие вещества, токсичные для человека и обитающих в водоёмах животных и растений
Анаэробные процессы имеют место при отсутствии или недостаточном притоке кислорода воздуха. В этих условиях под влиянием неспороносных гнилостных микробов, микроорганизмов брожении и других организмов, находящихся в почве, происходят восстановительные процессы, выражающиеся в отщеплении кислородной частицы от органического вещества. В анаэробных условиях биохимические процессы происходят весьма медленно, с образованием промежуточных продуктов распада органических соединений. В результате этих биохимических процессов углеводы распадаются на воду и углекислоту; жиры расщепляются на глицерин и жирные кислоты, которые затем распадаются на воду и углекислоту; сложные белки превращаются в аминокислоты и аммиак (аммонификация); сера белков превращается в сероводород, растительная клетчатка — в гумус.
В анаэробных условиях процесс гниения и брожения органических веществ сопровождается выделением зловонных газов — аммиака, сероводорода, метана, меркаптанов и др. , которые загрязняют воздух. Образующийся в процессе разложения органического вещества перегной (гумус) имеет большое санитарное и агрономическое значение. Он представляет собой органическое вещество темного цвета, которое неспособно ни загнивать, ни издавать зловоние, ни привлекать мух и не содержит возбудителей инфекций, кроме спороносных. В силу этого при обезвреживании отбросов в определенных условиях (почвенные методы, компостирование, биотермические методы) вполне возможно ограничиться гумификацией отбросов, не доводя разложение их до полной минерализации.
Анаэробные системы очистки Распад органических веществ состоит из трех этапов: • растворение и гидролиз органических соединений; • ацидогенез; • метаногенез. На первом этапе сложные органические вещества превращаются в масляную, пропионовую и молочную кислоты. На втором этапе эти органические кислоты превращаются в усксусную кислоту, водород, углекислый газ. На третьем этапе метанообразующие бактерии восстанавливают диокись углерода в метан с поглощением водорода. По видовому составу биоценоз метатенков значительно беднее аэробных биоценозов.
Насчитывают около 50 видов микроорганизмов, способных осуществлять первую стадию - стадию кислотообразования. Самые многочисленные среди них - представители бацилл и псевдомонад. Метанообразующие бактерии имеют разнообразную форму: кокки, сарцины и палочки. Этапы анаэробного брожения идут одновременно, а процессы кислотообразования и метанообразования протекают параллельно. Уксуснокислые и метанообразующие микроорганизмы образуют симбиоз, считавшийся ранее одним микроорганизмом под названием Methanobacillus omelianskii.
Процесс метанообразования - источник энергии для этих бактерий, так как метановое брожение представляет собой один из видов анаэробного дыхания, в ходе которого электроны с органических веществ переносятся на углекислый газ, который восстанавливается до метана. В результате жизнедеятельности биоценоза метатенка происходит снижение концентрации органических веществ и образование биогаза, являющегося экологически чистым топливом. Анаэробный процесс С 6 Н 12 О 6 --> 3 СН 4 + 3 СО 2 + микробная биомасса + тепло
Метатенк представляет собой герметичный ферментер объемом в несколько кубических метров с перемешиванием, который обязательно оборудуется газоотделителями с противопламенными ловушками. Метатенки работают в периодическом режиме загрузки отходов или сточных вод с постоянным отбором биогаза и выгрузкой твердого осадка после завершения процесса. В целом, активное использование метаногенеза при сбраживании органических отходов - один из перспективных путей совместного решения энергетических и экологических проблем, который позволяет агропромышленным комплексам перейти на автономное энергообеспечение.
Аэробные процессы происходят преимущественно в верхних слоях водоема за счет растворенного в воде кислорода. Анаэробные процессы происходят в слоях, составляющих дно водоема, куда кислород воздуха не поступает. Запасы кислорода в водоеме создаются, во-первых, за счет атмосферных осадков, во-вторых, за счет поступления кислорода из воздуха в поверхностные слои путем диффузии и, в-третьих, за счет жизнедеятельности водяных растений, которые, поглощая углекислоту, разлагают ее при помощи света и выделяют в воде свободный кислород. Запас кислорода в воде расходуется микроорганизмами на окисление органических веществ, которые, распадаясь на менее сложные вещества, постепенно минерализуются, т. . ё. переходят в неорганические (минеральные) вещества, давая, как и в почве, ряд конечных соединений — углекислоту, ее соли, соли азотной кислоты, сернокислые, фосфорнокислые и другие соединения.
Аэробный процесс – развитие новых технологий Этот процесс инициируется в аэротенках при наличии в обрабатываемых сточных водах достаточного количества растворенного кислорода, достаточность которого определяется таким показателем, как биологическая потребность кислорода (БПК). Этот процесс наиболее эффективен для нейтрализации органических загрязнений, так как в нем задействовано, как минимум, в двести раз больше количественного состава бактерий различных видовых групп по сравнению с анаэробным. Аэробный процесс С 6 Н 12 О 6 + 6 О 2 --> 6 СО 2 +6 Н 2 О + микробная биомасса + тепло Электронная микрофотография бактерий рода Listeria
Деградация органических веществ микроорганизмами в аэробных и в анаэробных условиях осуществляется с разными энергетическими балансами суммарных реакций. При аэробном биоокислении глюкозы 59% энергии, содержащейся в ней, расходуется на прирост биомассы и 41% составляют тепловые потери. Этим обусловлен активный рост аэробных микроорганизмов. Чем выше концентрация органических веществ в обрабатываемых стоках, тем сильнее разогрев, выше скорость роста микробной биомассы и накопления избыточного активного ила. При анаэробной деградации глюкозы с образованием метана лишь 8% энергии расходуется на прирост биомассы, 3% составляют тепловые потери и 89% переходит в метан. Анаэробные микроорганизмы растут медленно и нуждаются в высокой концентрации субстрата. Streptococcus faecium
Считается, что к настоящему времени идентифицировано не более 5% видов микроорганизмов, участвующих в аэробной очистке воды. В последние годы с помощью новых мокулярно-биологических методов, в частности специфических РНК проб, в активном иле показано присутствие бактерий родов Paracoccus, Caulobacter, Hyphomicrobium, Nitrobacter, Acinetobacter, Sphaerotilus, Aeromonas, Pseudomonas, Cytophaga, Flavobacterium, Flexibacter, Halisomenobacter, Artrobacter, Corynebacterium, Microtrix, Nocardia, Rhodococcus, Bacillus, Clostridium, Lactobacillus, Staphylococcus. Следует отметить, что многие аэробные бактерии являются факультативными анаэробами. Они могут расти в отсутствии кислорода за счет других акцепторов электрона (анаэробное дыхание) или брожения (субстратное фосфорилирование). Продуктами их жизнедеятельности являются углекислота, водород, органические кислоты и спирты. 1. Типичные клетки бактерий рода Caulobacter. Электронная микрофотография. Увел. X 20 000. 2. Клетка Hyphomicrobium с двумя стебельками. Электронная микрофотография. Увел. X 20 000.
Сравнение материального и энергетического балансов методов аэробной и анаэробной очистки сточных вод. Анаэробная деградация органических веществ, при метаногенезе осуществляется как многоступенчатый процесс, в котором необходимо участие по меньшей мере четырех групп микроорганизмов: гидролитиков, бродильщиков, ацетогенов и 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 р. Н и остановке процесса.
Преимуществом аэробной очистки является высокая скорость и использование веществ в низких концентрациях. Существенными недостатками, особенно при обработке концентрированных сточных вод, являются высокие энергозатраты на аэрацию и проблемы, связанные с обработкой и утилизацией больших количеств избыточного ила. Аэробный процесс используется при очистке бытовых, некоторых промышленных и свиноводческих сточных вод с ХПК не выше 2000. Исключить указанные недостатки аэробных технологий может предварительная анаэробная обработка концентрированных сточных вод методом метанового сбраживания, которая не требует затрат энергии на аэрацию и более того сопряжена с образованием ценного энергоносителя – метана.
Преимуществом анаэробного процесса является также относительно незначительное образование микробной биомассы. К недостаткам следует отнести невозможность удаления органических загрязнений в низких концентрациях. Для глубокой очистки концентрированных сточных вод анаэробную обработку следует использовать в комбинации с последующей аэробной стадией. Выбор технологии и особенности обработки сточных вод определяются содержанием органических загрязнений в них.
Сточные воды больших городов и небольших поселков значительно отличаются по концентрации органических загрязнителей. Содержание органических загрязнителей в сточных водах больших городов не превышает 500 мг/л, составляя обычно 200– 300 мг/л. Бытовые сточные воды небольших населенных пунктов содержат больше органики, от 5001000 г/л и более. В современных дачных и коттеджных поселках часто туалетные и кухонные сточные воды, содержащие большое количество органических загрязнений, отделяются от стоков ванных комнат. Для очистки сточных вод интенсивно развивающихся коттеджных поселков строятся локальные очистные сооружения, для пуска которых и вывода на рабочий необходимо использовать активный ил городских станций аэрации или специальные микробные препараты.
• • Информация взята с… http: //ru. wikipedia. org http: //slovari. yandex. ru http: //www. ges. ru/book_water_otbod/3. htm http: //vodograi. org/slovo/article/ochistka/
Скачать презентацию Аэробные и анаэробные процессы в сточных водах Очистка
Анаэробные процессы-Овденко.ppt