Очистка от органических веществ

Основным методом очистки сточных вод от органических примесей является биологическое окисление (аэробное, в присутствии свободного, растворённого кислорода и анаэробное, в отсутствие свободного кислорода, но за счёт связанного). Процесс биохимической очистки по своей сути – природный, его характер одинаков для процессов, протекающих как в водоёмах и очистных сооружениях, так и в сосудах для определения БПК. Биологическое окисление осуществляется сообществом микроорганизмов (биоценозом), включающим множество различных бактерий, простейших и более высокоорганизованных организмов (таких, как водоросли и грибы), связанных между собой в единый комплекс сложными взаимоотношениями. Это сообщество принято называть активным илом. Последний содержит от 10⁶до 10¹⁴ клеток на 1 г сухой биомассы (около 3000 мг микроорганизмов на литр сточной воды).

Аэробный процесс. Для жизнедеятельности живых организмов необходимо поддерживать соответствующие условия:

- температура процесса 20-30 ^оС;

- рН среды 6,5-7,5;

- соотношение биогенных элементов БПК_п : N : Р не более 100:5:1;

- кислородный режим - не ниже 2 мгО₂/л;

- содержание токсичных веществ не выше: тетраэтилсвинца 0,001 мг/л, соединений бериллия, титана, шестивалентного хрома и оксида углерода 0,01 мг/л, соединений висмута, ванадия, кадмия и никеля 0,1мг/л, сульфата меди 0,2 мг/л, цианистого калия 2 мг/л и т.д.

Все органические соединения окисляются по-разному. Первичные спирты окисляются легче вторичных, а вторичные - легче третичных. Легко окисляются низшие органические кислоты с числом атомов углерода до 10. При большем их числе для окисления требуется определенная адаптация микроорганизмов. Скорость окисления тем ниже, чем длиннее углеродная цепь. Циклические углеводороды в целом окисляются труднее парафиновых. Практически не окисляются меламин, нитроформ, нитробензол, оксихинолин, пикриновая кислота, гексахлорбензол, гексахлорбутан, дихлорэтан, дихлорметан, тетрахлорбензол, циклогексан и др.

Биохимическая (аэробная) очистка, сточных вод проводится в специальных сооружениях: аэротенках, окситенках, биофильтрах, биологических прудах и т.д. На аэробную очистку направляются сточные воды с содержанием органических веществ (по БПК) до 5000 мгО₂/л; конечная их концентрация - до 10 мгО₂/л. Принципиальные схемы широко распространённых одно- и трехкоридорных аэротенков представлены на рис. 5.1 и 5.2.

Время пребывания сточных вод в аэротенке в смеси с активным илом колеблется от 6 до 10 ч. После отстаивания иловой смеси часть активного ила возвращается в аэротенк, а основная его часть поступает на переработку в метантенки или на иловые поля. Очищенная сточная вода направляется на доочистку или непосредственно в водоёмы. Способность активного ила к оседанию характеризуется иловым индексом, представляющим собой объем в мл, занимаемый 1 г ила в его естественном состоянии после 30-минутного отстаивания. Ил с индексом до 120 мл/г оседают хорошо, с индексом 120-150 мл/г - удовлетворительно, а при индексе выше 150 мг/л - плохо.

Рис. 5.1. Схема однокоридорного аэротенка

Рис. 5.2. Схема трёхкоридорного аэротенка

Общая схема очистки городских сточных вод представлена на рис.5.3.

Анаэробный процесс. В этом случае происходит биологическое окисление органических веществ в отсутствие свободного кислорода за счёт химически связанного в таких соединениях, как SO^2-₄, SO₃^2-и CO₃^2-. Процесс протекает в две основные стадии: на первой, образуются органические кислоты, на второй - образовавшиеся кислоты преобразуются в метан и диоксид углерода:

орган. соед. + О₂ + кислотообраз. бактерии à летучие кислоты + СН₄+СО₂ + Н₂ + новые клетки + другие продукты

летучая кислота + О₂ + метанообраз. бактерии à СН₄ + СО₂ + новые клетки

В метантенках перерабатываются активный ил и концентрированные сточные воды (обычно БПК > 5000), содержащие органические вещества, которые разрушаются анаэробными бактериями в ходе метанового брожения (в естественных условиях аналогичный процесс протекает на болотах).

Основные технологические параметры процесса:

- температура в мезофильных условиях 25-37^оС, термофильных - 50-60^оС;

- рН от 6,7 до 7,4 (повышение рН вызывает снижение скорости процесса брожения, а при рН выше 8 оно прекращается);

- концентрация органических веществ (по БПК) обычно выше 5000 мгО₂/л, однако при высокой концентрации микроорганизмов (1-3%) анаэробный процесс протекает и при более низком содержании органических веществ - вплоть до 1000 мгО₂/л;

- как и в аэробном процессе, необходимы питательные элементы: соединения азота и фосфора, но в двое меньших количествах;

- микробы чувствительны к наличию некоторых соединений, особенно пероксидов и хлор- и серосодержащих производных, поэтому в ряде случаев их приходится предварительно удалять.

Анаэробный процесс весьма чувствителен к залповым сбросам, а восстановление микрофлоры может продолжаться от 1 до 6 месяцев, хотя в нормальных условиях микрофлора может храниться 12-18 месяцев и начать работать в течение нескольких дней.

Степень обезвреживания органических соединений в этом процессе в расчете на единицу микробной массы значительно ниже, чем в аэробном (примерно 25% от ее величины для аэробного процесса). Обычно это от 50 до 80%, что явно недостаточно, однако суммарно оба процесса (аэробный и анаэробный) обеспечивают степень очистки от органических веществ (по БПК) до 99%.

В анаэробном процессе по сравнению с аэробным образуется значительно меньше шлама - примерно 1/3-1/5 от его количества в случае аэробного процесса. Он значительно дешевле (нет аэраторов), но в связи с образованием метана взрыво- и пожароопасен.

Основная цель анаэробной обработки - уменьшение объёма активного ила или количества органических веществ в сточной воде, получение метана (до 0,35 м³ при нормальных условиях на 1кг ХПК) и, самое главное, получение хорошо фильтрующегося и без запаха осадка. Осадки после фильтрации могут быть использованы в качестве удобрения в растениеводстве при условии, что содержание тяжёлых металлов в них не превышает ПДК_п. Получаемый в метантенках газ содержит до 75%(об.) метана (остальное – диоксид углерода и воздух) и используется в качестве горючего.

Очистка от нефтепродуктов.Как уже отмечалось, нефтепродукты являются одним из важнейших загрязнителем гидросферы и этому вопросу будет уделено значительное внимание в главе, посвящённой экологическим проблемам переработки нефти, раздел 11.3 (Загрязнение гидросферы).