Биохимические методы переработки техногенных отходов Часть 1. Биологи

7.2. Использование технического кислорода для аэрации

Одним из способов повышения эффективности биологической очистки в аэротенках является подача для аэрации вместо воздуха технического кислорода. Эффективность очистки сточных вод при этом увеличивается в 4–5 раз [29].

Этот метод может быть реализован в колонных аппаратах со струйным и эжекционными способами аэрации (рис. 7.6) и пленочном аппарате (рис. 7.7), а также в окситенках (см. рис. 7.1). При этом в колонном аппарате наряду с насыщением воды кислородом происходит и ее доочистка в случае необходимости.

Рис. 7.6. Схема колонного аппарата			Рис. 7.7. Схема пленочного
с	комбинированной	системой	аппарата для			насыщения
аэрации: 1 – камера струйного			воды кислородом: 1 –
аэрирования; 2 – колонна; 3 –			корпус аппарата; 2 – труба
пенный отсек; 4 – загрузочное			для	подачи грязной			воды;
устройство; 5 – струйный аэратор;			3	–	наклонные		полки;
6 – наклонные решетки; 7 –			4	–	выходной	патрубок;
	эжекторы			5 – входной патрубок

201

Сравнение степени очистки воды при подаче в аэротенки воздуха и технического кислорода показало, что в зависимости от вида сточных вод период аэрации снижается с 6–12 до 1–3 ч, это позволяет увеличить производительность или уменьшить объем аэротенка в несколько раз.

Применение технического кислорода позволит ускорить биохимический процесс окисления органических веществ. Например, в зависимости от вида сточных вод БПКполн возрастает в 1,5–3,8 раза.

При аэрации техническим кислородом в активном иле не развиваются нитчатые формы бактерий, отрицательно влияющие на степень очистки воды, а в отстойниках ил быстрее осаждается, что позволяет использовать отстойники обычной конструкции, несмотря на увеличение концентрации активного ила.

7.3.Воздействие на микроорганизмы физических

ихимических факторов

Внастоящее время ряд исследований направлены на изучение воздействия на микроорганизмы физических и химических факторов (например, ультразвука, электромагнитных полей, озона

ит.д.) с целью интенсификации биологической очистки сточных вод.

Выявлено, что умеренное воздействие электрического поля стимулирует рост и жизнедеятельность микроорганизмов, осуществляющих биологическую очистку сточных вод, увеличивая окислительную способность органических веществ, находящихся в воде [30].

Одним из способов повысить эффективность биологической очистки сточных вод путем подачи озоно-воздушной смеси в аэротенк. Например, при концентрации озона 1 мг/л увеличивается степень очистки по БПК с 70 до 95 %. При подаче озоновоздушной смеси в импульсном режиме (10–15 мин в 1 ч) остаточная ХПК в 1,3 раза меньше, чем при обычной (воздушной), при одинаковом времени аэрации.

202

Озонирование влияет на основные характеристики активного ила: уменьшается иловый индекс, время уплотнения активного ила, удельное сопротивление осадка. При этом уменьшается прирост активного ила, что приводит к уменьшению количества избыточного ила и затрат на его обработку.

Использование озоно-воздушной смеси в процессе очистки сточных вод не требует сложного переоборудования действующих аэротенков. Широкое применение данного метода сдерживается отсутствием технико-экономического обоснования применения озона, отсутствием практических рекомендаций по его использованию, а также оптимальных норм технологических режимов.

7.4.Использование мутагенеза, специальных штаммов

иадаптированных микроорганизмов

вочистке сточных вод

Эффективность процесса биохимической очистки сточных вод в значительной степени зависит от применяемых микроорганизмов.

Новые штаммы микроорганизмов с обогащенным набором ферментов возникают в результате их модификации и мутации. Мутации могут быть естественные с последовательным отбором тех форм, ферментные системы которых соответствуют субстратам окружающей среды и индуцированные непосредственно субстратом, т.е. тем химическим соединением, на которое ферментная система может воздействовать.

Обработка активного ила мутагенами позволяет получить активный ил, который способен очищать сточные воды с более высокой концентрацией органических загрязнений и с более высокой степенью очистки, чем обычный активный ил. Установлено, что обработка мутагеном активного ила в количестве 0,1–0,5 от всего объема позволяет увеличить степень биологической очистки сточных вод по ХПК с 55–72 до 80–95 %. Эффективность очистки может быть увеличена за счет мутагенной обработки активного ила, содержащий отдельные виды органических загрязнений. На-

203

пример, применение мутагенеза позволяет увеличить степень очистки сточных вод, содержащих ПАВ, с 35,3 до 64 %.

Кнедостаткам данного метода можно отнести то, что при нестационарном режиме сброса сточных вод на очистные сооружения, с резкими изменениями концентрации загрязняющих веществ, часть мутантов не сохраняется и восстанавливается исходное состояние активного ила.

При значительных колебаниях расхода сточных вод и концентрации загрязнений требуется усиленный контроль: за работой сооружений; за концентрацией вводимого мутагена; периодичностью введения и продолжительностью обработки активного ила. Все это значительно осложняет работу очистных сооружений. Применение данного метода целесообразно на локальных установках с относительно постоянным составом загрязнений, для очистки сточных вод конкретного цеха или отдельной производственной установки.

Перспективным направлением интенсификации биологической очистки сточных вод является использование специальных штаммов бактерий и адаптированных микроорганизмов. Применение их эффективно при очистке сточных вод определенного состава со специфическими загрязнениями. Адаптация их к определенному виду загрязнений не требуется, что позволяет принимать на очистку более концентрированные сточные воды и повысить степень их очистки. Например, для очистки сточных вод нефтеперерабатывающего предприятия эффективнее применять углеводородокисляющие микроорганизмы.

Для освобождения сточных вод от пиридина, метанола и уксусной кислоты были выведены специфические комплексы бактерий. Эти микроорганизмы способны в течение трех суток окислить 98,9–99,2 % метилового спирта при его исходной концентрации 400–500 мг/л, полностью окислить уксусную кислоту при ее концентрации 400–500 мг/л, снизить содержание пиридина на 90– 100 % при исходной концентрации 260–370 мг/л.

Косновным недостаткам метода можно отнести то, что микроорганизмы многих видов чаще всего не образуют зооглейных

204

скоплений, не дают осадка и выносятся из зоны аэрации. Для улучшения отстаивания применяют коагуляцию, флотацию, центрифугирование, что требует дополнительных затрат.

При высокой концентрации загрязнений в сточных водах, поступающих на очистку в аэротенки со специализированной микрофлорой, остаточная концентрация загрязнений достаточно велика и необходима доочистка сточных вод на второй ступени обычным активным илом.

Применение микробиологических методов целесообразно на локальных установках с небольшим расходом сточных вод и постоянным качественным составом загрязняющих веществ, или на сооружениях первой ступени, после которой следуют сооружения биологической очистки обычного типа.

7.5. Чередование аэробных, анаэробных и аноксидных зон

Традиционный способ очистки сточных вод позволяет очистить воду от основных органических загрязняющих веществ, но не может обеспечить достаточную степень очистки от соединений азота и фосфора. При проведении технологии очистки в аэротенках часть азота и фосфора выводится с биомассой активного ила, некоторая часть нерастворимых соединений фосфора осаждается в первичных отстойниках. При этом содержание аммонийного азота и фосфора в очищенной воде снижается на 20–40 %, а содержание нитратного и нитритного азота может даже увеличиться. Для более эффективного удаления биогенных веществ все более широкое применение находит биологическая очистка сточных вод, в основе которой лежит чередование аэробных, анаэробных и аноксидных зон (рис. 7.8.–7.11) [1].

Процесс Modified Bardenpho имеет одну анаэробную зону, две аноксидные и две аэробные зоны с иловым и нитратным рециклом. Как показано на рис. 7.8, поступающие сточные воды и возвратный активный ил подаются в анаэробную зону, где происходят реакции ферментации, потребление легкоокисляемой органики фосфораккумулирующих организмов и высвобождение

205

фосфора. В зоне нитрификации (1-я аэробная зона) происходит доокисление органических соединений, окисление аммонийного азота и потребление фосфора.

Рис. 7.8. Схема Modified Bardenpho [36]

В 1-й аноксидной зоне происходит процесс денитрификации – окисление органических соединений связанным кислородом нитратов, поступающих с возвратным активным илом. Во 2-й аноксидной зоне происходит восстановление нитратов, образованных в ходе процесса нитрификации в 1-й аэробной зоне. Последняя аэробная зона служит для аэрирования иловой смеси для снижения анаэробных условий во вторичном отстойнике.

Процесс А2/О (Anaerobic/Anoxic/Oxic), предназначенный для удаления азота и фосфора, представляет собой последовательность анаэробной, аноксидной и аэробной зон. В процессе А2/О анаэробная, аноксидная и аэробная зоны разбиты на несколько отсеков идеального перемешивания (рис. 7.9).

Рис. 7.9. Схема А2/О [36]

Схема биологического удаления азота и фосфора, разработанная в Кейптаунском университете, UCT (University of Cape Town) представлена на рис. 7.10.

206

Рис. 7.10. Схема UCT процесса [36]

Данная схема позволяет свести к минимуму количество нитратов, поступающих в анаэробную зону сооружения, повысив тем самым эффективность биологического удаления фосфора. В отличие от рассмотренных выше схем в данном процессе рецикл возвратного активного ила и нитратный рецикл подаются в аноксидную зону. Анаэробный рецикл из конца аноксидной зоны подается в начало анаэробной. Этот процесс исключает негативное влияние азота нитратов на эффективность удаления фосфора в анаэробной зоне.

Рис. 7.11. Схема MUCT процесса [36]

Процесс Modified UCT (University of Cape Town) представляет собой последовательность анаэробной, двух аноксидных и аэробной зон (рис. 7.11). В данном процессе 1-я аноксидная зона предназначена для удаления азота нитратов из возвратного активного ила, 2-я аноксидная зона – для удаления нитратов, образуемых в ходе процесса нитрификации в аэробной зоне для обеспечения требуемого качества очищенной воды по N-NO3.

207

7.6. Биоадсорбционный способ биологической очистки сточных вод

Для интенсификации процесса биологической очистки широко используют биосорбционный метод. Биосорбция – это способ, который совмещает процессы адсорбции и биохимического окисления. Сравнивая степень деструкции органических соединений свободно плавающим активным илом и иммобилизованным, можно видеть, что последний увеличивает окисляющую способность микроорганизмов, повышая эффективность очистки и скорость деструкции органических соединений.

К основным преимуществам использования иммобилизованных клеток микроорганизмов на поверхности сорбента можно от-

нести [38, 39]:

1.Возможность более длительной эксплуатации свойств клеток в иммобилизованном состоянии по сравнению с однократным использованием свободных культур.

2.Увеличение продуктивности в результате увеличения концентрации биомассы микроорганизмов в единице рабочего объема сорбента.

3.Адсорбция и частичная дезактивация микроорганизмов позволяет сохранить клетки.

4.Устойчивость клеток к действию различных неблагоприятных инактивирующих внешних факторов (температура, кислотность, концентрация токсических веществ и т.д.) в результате иммобилизации, иногда становится возможной еще дополнительная защита культуры от воздействия патогенной для нее микрофлоры при случайных нарушениях стерильности биотехнологической системы.

Для интенсификации процесса биологической очистки используются различные сорбенты (табл. 7.1). Чаще всего предлагается использовать порошкообразный активный уголь (ПАУ) марки АГ-3, КАД, однако в качестве сорбента могут применяться

идругие материалы.

208

			Классификация сорбентов [40, 41]		Таблица 7.1
	Признак	Класс		Характеристика состава	Компоненты
	По исходному	Неорганические		Из естественных минералов	Песок, глины и т.п.
	сырью
				Из искусственных неорганических	Перлит, керамзит, силикагель
				материалов	и т.п.
		Органические		Органо-минеральные	Сапропель, сланцы, нефтешламы
				Из каустобиолитов	Торф, уголь, графит и т.п.
				Из природного сырья растительно-	Мох, листва, кора, опилки, солома,
				го и животного происхождения и	шелуха от переработки зерновых,
				отходов их переработки	макулатура
				Синтетические	Полипропилен, полиуретан, тефлон,
					фенолформальдегидные пенопласты
	По внешнему	Дисперсные		Мелкодисперсные	Порошки
	виду
				Крупнодисперсные	Крошка, гранулы, хлопья
				Волокнистые	Тканые и нетканые материалы
		Формованные		Прессованные	Плиты или изделия иной конфигу-
					рации
				Комбинированные	Сорбирующие боны, подушки, маты
					с оболочкой из проницаемого мате-
					риала
209
					209

210

			Окончание табл. 7.1
Признак	Класс	Характеристика состава	Компоненты
По характеру	Гидрофильные	Статический угол смачивания ма-
смачивания		териала сорбента водой меньше 90°
	Безразличного	Статический угол смачивания ма-
	смачивания	териала сорбента водой примерно
		равен 90°
	Гидрофобные	Статический угол смачивания ма-
		териала сорбента водой больше 90°
По пористой	Непористые		Песок, сера
структуре
	Макропористые	Радиус кривизны пор более 200 нм	Керамзит, перлит, синтетические
			сорбенты, кирпичная крошка
	Мезопористые	Радиус кривизны пор 1,5–200 нм	Диатомитовые глины, селикагель,
			некоторые виды активных углей
	Мезопористые	Радиус кривизны пор менее 1,5 нм	Активные угли из косточковых
	Гетеропористые	Радиус кривизны пор меняется в	Сорбенты из торфа, древесины, с/х
		широком диапазоне	отходов
	С изотропной		Минеральные сорбенты, сорбенты
	пористостью		из угля, графита, вспененные синте-
			тические сорбенты
	С анизотропной		Сорбенты из волокнистых синтети-
	пористостью		ческих или природных материалов

210