Лекция 18. Общие сведения. Технология очистки сточных вод с применением микроорганизмов

План:

1. Общие сведения  о применении микроорганизмов для очистки сточных вод.

2. Действие различных микроорганизмов  на компоненты  сточных вод.

3. Технология очистки сточных вод.

Цель занятий:

  Дать студентам общие сведения о технологии очистки сточных вод с применением микроорганизмов.    

Опорные слова:

очистка, обезвреживание, охрана, среда, загрязнения, сток, ПДК, сброс, коагулянты, известь, сульфат железа, сульфат алюминия, биохимический, аэрация, активный ил.

1. Одной из актуальных проблем современности является ох­рана окружающей среды.

Рекомендуемые материалы

Вопросы очистки, обезвреживания и утилизации сточных вод промышленных предприятий являются неотъемлемой частью проблемы охраны окружающей среды.

Во всех промышленно развитых странах основными источниками загрязнения   природных   водоемов являются бытовые, производственные    (промышленные)    и атмосферные сточные воды.

Ежегодный водозабор из природных источников на хозяй­ственно-бытовые нужды во всем мире составляет 3,5 тыс. км³, а объем воды, загрязняемой промышленно-бытовыми стоками, равен 6 тыс. км³, ведь 1 м³ промышленно-бытового стока за­грязняет 12-15 м³ чистой воды, а 1 м³ нефти - до 1 млн. м³.

Промышленные сточные воды загрязняют природные воды значительно больше, чем бытовые.

Предприятия цветной металлургии и, в частности, обогати­тельные фабрики являются предприятиями с большим расходом воды и большим количеством сточных вод. Расход технологи ческой воды в технологических циклах и операциях колеблется от 2,5 до 6 м³ на тонну перерабатываемой руды.

Сточные воды обогатительных фабрик кроме нерастворимых грубо- и тонкодисперсных частиц содержат различные органиче­ские и неорганические флотационные реагенты, применяемые при флотации руд, ионы тяжелых металлов и различные ком­плексы высоко-токсичных веществ.

Содержание различных компонентов в сточных водах, сбрасываемых в водоемы, не должно превышать предельно до­пустимых концентраций (ПДК). В табл. 18.1.                     

Таблица18.1.

 приведена классификация поверхностных вод в зависимости от ПДК вредных веществ и назначения воды для стран СНГ. Однако большинство параметров сточных вод обогатительных фабрик превышает нормы, допустимые для вод III категории. Разработка методов очистки сточных вод с прекращением их сброса в открытые водоемы является одной из основных тен­денций в мировой обогатительной практике, так как повторное использование в технологических процессах очищенных сточных вод (оборотное водоснабжение) позволит значительно умень­шить степень загрязнения окружающей среды. 

Предельно допустимые нормы содержания некоторых вредных веществ в поверхностных водах, рекомендованные для стран СНГ. Для очистки сточных вод в настоящее время применяются различные методы — механические, физико-химические и биологические, или биохимические .Механические методы применяются для очистки сточных вод промышленных предприятий, в том числе и обогатительных фабрик, для удаления грубодисперсных примесей. Простейший из методов механической обработки сточных вод - отстаива­ние - осуществляется обычно в хвостохранилищах обогатительных предприятий. Кроме очистки от грубодисперсных частиц в сточных водах хвостохранилищ с течением времени снижается концентрация многих флотационных реагентов - ксантогенатов, дитиофосфатов, цианидов, фенолов, крезолов и т. п. При необходимости глубокой очистки сточных вод, степень осветления которых зависит от дальнейшего использования осветленной воды, используют коагулянты - известь, сульфат железа, суль­фаты алюминия.

Разнообразны физико-химические методы очистки, приме­няемые в промышленности, выбор которых зависит от качест­венного и количественного состава сточных вод и требуемой степени очистки. К этим методам можно отнести экстрак­ционный, флотационный, сорбционный, гиперфильтрацию, ультрафильтрацию, ионообменные методы, электродиализ и др.

Биохимические методы применяются в настоящее время при очистке сточных вод некоторых органических производств (наф­теновых кислот, битума, смазок, сульфокислот и т. п.), а также предприятий пищевой, целлюлозно-бумажной, нефтеперераба­тывающей и коксохимической промышленности. Эти методы по­лучают распространение и для очистки производственных сточ­ных вод металлургической промышленности.

Биохимический метод очистки сточных вод основан на спо­собности некоторых видов микроорганизмов использовать в про­цессе жизнедеятельности различные растворенные органические соединения и не окисленные минеральные соединения, например, аммиак, сероводород, нитриты и т. п.

Биохимическую очистку условно можно разделить на две ста­дии, протекающие одновременно, но с различной скоростью: адсорбцию из сточных вод тонкодисперсных и растворимых при­месей органических и неорганических веществ поверхностью тела микроорганизмов и разрушение адсорбированных веществ внутри клетки микро-организмов при протекающих в ней био­химических процессах (окисление, восстановление). Обе стадии могут происходить как в аэробных, так и анаэробных условиях.

2. Биохимическая очистка производственных сточных вод обо­гатительных фабрик при их большом ежесуточном и ежегодном объеме технически осуществима в прудах-окислителях, где при выдерживании этих вод определенное время происходит их естественная очистка под действием микроорганизмов.

Микрофлора прудов-окислителей чрезвычайно разнообразна. Биологическое окисление в этих прудах осуществляется множе­ством различных бактерий от простейших до высокоорганизо­ванных, которые связаны между собой сложными взаимоотно­шениями. Количество бактерий в прудах зависит от количества .и вида органических и неорганических веществ в стоках и мо­жет составлять от 106 до 1014 кл на 1 г сухой биомассы. Число родов бактерий может составлять 5 - 10, а видов до нескольких десятков и даже сотен.

Очистные сооружения в зависимости от условий их работы и характера стоков заселяются как гетеротрофными, так и автотрофными микроорганизмами.

Микроорганизмы, выделенные из воды и донных отложений, являются в основном представителями Bacterium liguefaciens, Bacterium album, Pseudomonas fluorescens и Bacillus brevis. Около 50—80 % бактерий, присутствующих в илах, относятся к Рseudomonas, которые способны окислять более 20 типов ор­ганических веществ. Микроорганизмы Васterium хорошо ус­ваивают нефтепродукты и фенолы, находящиеся в сточных во­дах. Углеводы, фенолы и спирты окисляются микроорганизмами вида Васillus, которые преобладают среди микроаэрофильных и факультативно-анаэробных видов. Из серобактерий в илах присутствуют Thiobacterium и Тhiotrix, которые способны окис­лять сульфиды, гипосульфиды и сероводород.

При обследовании хвостохранилищ некоторых обогатитель­ных фабрик СНГ было показано, что наличие бактерий Т. ferrooxidans определяет прежде всего рН среды хвостохранилища.

Количество T.thioparus  и T.denitrificans в воде отстойников увеличивается в летний период в 10 – 100 раз и составляет летом до 100 кл/мл, что свидетельствует об интенсификации окислительных процессов в прудах в летний период.

Многочисленными исследованиями установлено, что органические вещества иловых отложений принимают самое прямое участие в связывании  и осаждении ионов тяжелых цветных металлов в виде металлорганических комплексов – хелатов. Цинк осаждается при связывании его с гуминовыми и фульвокислотами, свинец – с фульвокислотами и медь – с гуминовыми кислотами.

Основными условиями, определяющими полноту  осаждения тяжелых цветных металлов при биохимической очистке, являются химический состав органических веществ, вырабатываемых микроорганизмами и насыщенность среды кислородом. В анаэробной зоне при микробиологическом разложении органических веществ образуется низкомолекулярные органические кислоты, спирты, эфиры и другие промежуточние продукты обмена, которые с ионами тяжелых металлов образуют водорастворимые  комплексы. В аэробных за это время мед   не осаждается а накплвается  в растворе в виде растворимых соединений с продуктами метаболизма микроорганизмов.  Присутствие среди гетеротрофной микрофлоры сульфатредуцирующих  микроорганизмов  способствует осаждению металлов в виде сульфидов. На многих обогатительных фабриках в качестве флотационного реагента используется цианистый натрий и калий, являющейся депрессором сульфидов меди и цинка и образующий с ионами тяжелых металлов простые и комплексные соединения – цианиды. Обычно в сточных водах  обогатительных фабрик, применяющих цианистые соли, цианид присутствует в виде комплексных цианидов меди, цинка и лишь частично в виде простых (свободных) цианидов. По этому присутствие в стоках  обогатительных фабрик комплексных цианидов металлов вызывает необходимость очистки не только от металлов, но и от цианидов, содержания которых  может достигать в зимнее время 10 – 11 мг/л, что значительно превышает ПДК.

В настоящее время предложено довольно большое число методов очистки сточных вод различных производств от цианидов с участием микроорганизмов. Выделены 23 наиболее активных  штамма бактерий по отношению к цианиду,  они определены как Pseudomonas fluorescens Bact album, Bacillus brevis, Bact. Lique faciens. Необходимым условием для жизнедеятельности этих микроорганизмов является наличие органического углерода при соотношении его к азоту как 2,5 / 5,1.

В процессе биохимического разрушения цианидов микроорганизмы использует для своей жизнедеятельности азот цианид иона, превращая его в аммоний. Присутствие в среде других легко доступных источников азота тормозит микробиологическое разрушение цианидов, присутствие же органического углерода необходимо. Добавки солей фосфора ускоряют микробиологическое разрушение цианидов.

Лучшие показатели по микробиологическое разрушение цианидов достигаются при использовании в качестве питания микроорганизмов сахарозы и ацетата натрия. Микробиологическое разрушение цианидов можно представить следующему реакциями

  2CN ^- + O₂         ^{микроорганизмы}                                        2CNO                  (1)                                           

2CNO ^- + 2H₂O             ^{гидролиз}                                    NH₄⁺ + CO₃^{2 -}                   (2)                          

        

                   В настоящее время разработан биологический  метод очистки сточных хромсодержащих вод. В основу этого метода положено предположение, что восстановление Cr⁶⁺  может осуществляться с участием специфичной микрофлоры при отсутствии кислорода воздуха. В этом случае единственным донором кислорода являются хроматы, а акцептором – органические вещества микрофлоры.

3. Биохимическая очистка сточных вод обогатительных фабрик в последние годы получает все большее распространение. Биохимическое разложение цианидов происходит не только в биологическом пруду. Для интенсификации биохимической очистки предусматривается внесение в биологический пруд качественного свекловичного жома в количестве 60 т, после чего для развития цианразрушающих микроорганизмов сток в пруд прекращается на 20 дней.

Посадка прибрежно – водной растительности в биологическом пруду обеспечивает микроорганизмы дешевым и доступным питанием.

  Стоки очищаются в прудах, размеры которых соответствуют 12 – 15 суточному пребыванию в них  стоков, засаженных прибрежно – водной растительностью. Для интенсификации очистки добавляется сернокислый аммоний в количестве 1,0 – 1,3 мг азота на 1 л  сточных вод в зависимости от количества органических флотореагентов. Искусственной или естественной аэрацией достигается концентрация растворенного кислорода в пруде  5 – 6  мг/л и величина окислительно – восстановительного потенциала 24 – 26 мВ. Кроме того, 2 раза в год в качестве источника гетеротрофных микроорганизмов, фосфора и других микроэлементов в пруд вносится гумусированная почва из расчета 1 м³ на 1000 м³ объема пруда. Принятая система обеспечивает полную очистку стоков от органических флотореагентов, содержание которых по биологическому потреблению кислорода снижается до 3 мг/л кислорода. При этом содержание цианидов снижается на 40 – 60 %, а ионов тяжелых металлов – на 30 – 40 %. Кроме того, снижается мутность стоков, исчезают пена и запах. Эффективность очистки сточных вод в окислительном пруду зависит от времени года. Так , эффективность очистки вод от цианида в январе месяце составляет только 60 %, тогда как в июле она достигает 100 %.  В целом по очистным сооружениям удается достичь довольно высокой степени очистки сточных вод. Содержание (в %) снижается: цианида на 98,5; меди на 96,8 и свинца на 85,5.    

Процесс очистки сточных вод активным илом представляет собой наиболее обычный вариант процессов такого типа. В случае бытовых сточных вод исходное сырье, как правило, представляет собой стоки, отфильтрованные от крупных частиц и песка и подвергнутые отстаиванию, при котором удаляется около 60 % взвешенных частиц ( вместе с -30 %  органического вещества). В Великобритании отстоенные сточные воды содержат обычно 150-200 мг/л взвешенных твердых  частиц, 150-200 мг/л органического вещества, определяемого как биохимическая потребность в кислороде (БПК), и 20-40 мг/л аммонийного азота. Собственно процесс очистки состоит из двух стадий: взаимодействия отстоявшихся стоков с воздухом и частицами активного ила в аэротенке в течение определенного времени, которое может колебаться от 4 до 24 ч и более в зависимости от вида сточных вод, требуемой глубины очистки и типа процесса, и отделения очищенной жидкости от частиц активного ила в отстойники. Из отстойники удаляют большую часть свободной от твердых частиц надиловой жидкости, а активный ил возвращает в аэротенк. Таким образом, весь процесс может быть представлен как непрерывная ферментация с подачей твердого сырья ( рис. 18.1).

Рис.18.1 схема станции аэрации

 Частицы активного ила, часто обозначаемые как взвешенные частицы иловой смеси (ВЧИС), представляют собой флоккулирован-ную смесь бактерий и простейших.

В активном иле идентифицированы бактерии множества различных видов но, как правило, их  определение до вида не представляет большого интереса. Следуют выделять только три основных группы: углеродокисляющие флокулообразующие бактерии, углеродокисляющие нитчатые бактерии, бактерии - нитрификаторы. Флокуло-образователи необходимы не только для деградации БПК, но и для образования стабильных флукол, которые способны быстро осаждаться с образованием плотного ила в отстойнике. Нитрификаторы (Nitrosomonas  и  Nitrobacter ) превращают аммонийный азот в нитраты:

                                  NH₃+O₂  Nitrosomonas       NO ^-₂;  NO ^-₂ + O₂   Nitrobacter      NO ^-₃                   (3)

         Эти виды бактерий необходимы, если процесс направлен на получение выходных стоков с резкой концентрацией аммонийного азота.  Нитчатые бактерии представляют собой до некоторой степени аномалию. С одной стороны , известно, что они образует скелет, вокруг которого формируются флокулы с другой – являются источником двух специфических проблем: плохого осаждения и образования устойчивой пены. По этому необходимо уметь определять не только видовой состав нитчатых бактерий, но и их относительное содержание. Это возможно с помощью метода, основанного на морфологии нитчатых бактерий, их размере и характеристике по Граму  и Нейссеру.

         Простейшие потребляют бактерий и обеспечивают низкую мутность выходных стоков. Всего было идентифицировано около 200 видов простейших, но именно инфузории, и в частности кругоресничные  (прикрепленные к субстрату) инфузории, такие как сувойки (Vorticella) и Opercularia, имеют наибольшее значение.

         Применительно к илу термин «активный» значит, что биомасса:

         а) представляет собой микрофлору, содержащую все ферментные системы, необходимые для деградации загрязнений, которые следует удалить;

         б) имеет поверхность с сильной адсорбционной способностью;

         в) способна образовывать стабильные флокулы, которые легко осаждаются при отставании.

         При проектировании станций аэрации следует учитывать несколько параметров. Наиболее важный из них – нагрузка по органическому веществу на ил (НОВ), так как она определяет тип процесса и время пребывания в аппарате      

  

                                       Р=ВG/(MV) = B/(M ĩ_a )

Где Р-нагрузка по органическому веществу, кг БПК/(кг ВЧИС сут); В-БПК, г/л; G-расход, м³/сут; М-ВЧИС, г/л; V-объем аэротенка, м³; ĩ_a–время пребывания в аппарате, сут.

    Существуют три основных типа процессов очистки: быстрая (НОВ = 0,5-5,0), стандартная (НОВ = 0,25-0,45) и продленная (НОВ = 0,05-0,2) аэрация.

         Быстрые процессы используют в специальных случаях или для частичной очистки стоков. Поэтому обычно выбирают процесс с параметрами в области между стандартной и быстрой аэрацией.

         Крупномасштабные аэрационные системы часто называют окислительными каналами. По существу, это простые по конструкции длинные каналы, в которых аэрация и циркуляция содержимого осуществляются одновременно горизонтально установленными поверхностными аэраторами. Однако способность к переносу кислорода обычного ротора ограничивает глубину канала величиной 1,8 м. Это означает, что для очистки больших стоков потребны большие площади. Эти сложности были преодолены с помощью новых роторов (системы «Маммут») или установок новой конфигурации (типа «Карусель»).

Вопросы для повторения:

1.  Перечислите основные применяемые методы очистки сточных вод?

2.  На чем основан биохимический метод очистки сточных вод?

3. На какие стадии делится биохимическая очистка сточных вод?

4. Каково воздействие различных микроорганизмов на компоненты сточных вод? 

5. Перечислите основные методы очистки сточных вод от цианидов? 

6. Напишите реакцию микробиологического разрушения цианидов?

 7. Основные способы интенсификации процесса очистки сточных вод обогатительных фабрик?

8.  Опишите схему станции  аэрации?

9.  Перечислите основные группы бактерии в активном иле?

10. Что означает применительно к илу термин «активный»?

11.  Перечислите наиболее основные параметры, которые следует учитывать при проектировании станции  аэрации?

                             Предмет: «Биотехнологические процессы в металлургии»

                                 Преподаватель: доц. Абдурахманов Э.  

                                 Количество студентов и курс: 48 студентов, 4 курс

                                 Продолжительность занятия: 80 минут

 

Технология «Смысл понятие»